T E S I S. Oleh PARLINDUNGAN S.P /TM L A H PA S C A S A R J A N A

(1)

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN

TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

T E S I S

Oleh

PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010 SE K O L A H P A SC_{A S A R JA}NA

(2)

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN

TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

T E S I S

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Fakultas Teknik

pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

PARLINDUNGAN S.P 047015010/TM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

(3)

Judul Tesis : SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5

Nama Mahasiswa : Parlindungan S.P Nomor Pokok : 047015010

Program Studi : Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua

(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Ir. Tugiman, MT)

Anggota Anggota

Ketua Program Studi Dekan

(4)

Tanggal lulus : 25 November 2009 Telah diuji pada

Tanggal : 25 November 2009

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Ir. Tugiman, MT

3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri 4. Ir. Awaludin Thayab, M.Sc

(5)

RIWAYAT HIDUP

Nama : Parlindungan S.Pasaribu Tempat /Tgl.lahir : Serbalawan 19 Juli 1981

Pekerjaan : Staff Pengajar Fakultas Teknik Universitas Setia Budi Mandiri Medan

Agama : Protestan

Alamat : Jl. Seksama Gg.Harapan Pasti Barat No.5A Medan Telp : 061- 77789019

Hp : 081361202019

Email

Jenis Kelamin : Laki – Laki

Pendidikan

2004 – 2009 Universitas Sumatera Utara

1999 – 2004 Institut Teknologi Medan

1996 – 1999 SMU Kampus FKIP Univ HKBP Nomensen P.Siantar

1993 – 1996 SMP Kristen Marga Utama

1987 – 1993 SD Negeri Pematang Bandar

(6)

ABSTRAK

Dalam penelitian ini dilakukan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda motor yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Konstruksi helm dibuat dua jenis yaitu helm komposit dan helm komposit dilapisi busa. Helm dibebani dengan beban impak pada tiga posisi yaitu pada bagian atas, samping, dan belakang dengan beban impak sebesar 8,2 MPa. Untuk melihat besarnya distribusi tegangan pada kedua helm ini, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AutoCad 2002 dan MSC/Nastran 4.5. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada helm komposit tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak belakang arah X dipeoleh pada titik Y sebesar -4,7 Mpa saat t 0.0039μs dan titik Z sebesar -3,4 MPa saat t = 0,0040 μs. Penjalaran tegangan pada jarak 66mm dari titik pembebanan tampak semakin mengecil. Pada helm komposit dilapisi busa tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak atas arah Z diperoleh pada titik X sebesar -3,0 MPa saat t 0,0042μs dan titik Y sebesar -2,6 MPa, saat t =0,0045 μs. Hasil simulasi memberi informasi bahwa helm komposit dilapisi busa mampu menyerap tegangan hingga 1,6%. Kata Kunci : Helm Komposit GFRP, Simulasi komputer, Disrtibusi tegangan

(7)

ABSTRACT

This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%.

(8)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas hikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul : ” Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa (Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan MSC/Nastran 4.5 ”.

Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak memberi masukan saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang tinggi kepada:

Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng (anggota), dan Ir.Tugiman (anggota), MT selaku komisi pembimbing telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis.

Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana, Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah

(9)

memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Teknik Mesin SPs-USU.

Bapak-Bapak dosen yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesainya tulisan usulan penelitian ini.

Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah memberi kemudahan penggunaan fasilitas simulasi komputer.

Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di Program Magister.

Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan atas bantuannya dalam melakukan penelitian, simulasi komputer dan penyelesaian tesis ini.

Kedua orang tua,saudara penulis.

Pendamping (Tari Sianipar) yang setia menemani penulis

Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan tesis ini, oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.

Medan, 2010 Penulis,

(10)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK... i

ABSTRACT... ii

KATA PENGANTAR... iii

RIWAYAT HIDUP... v

DAFTAR ISI... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR GAMBAR... x

DAFTAR LAMPIRAN... xiv

DAFTAR ISTILAH... xv BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan Masalah ... 5 1.3. Tujuan Penelitian ... 6 1.4. Manfaat Penelitian ... 6

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA... 8

2.1. Sejarah Helm... 8

2.2. Pemodelan Helm ... 13

2.3. Prinsip-prinsip Cedera Kepala ... 14

2.4. Komposit... 17

2.5. MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5... 23

2.6. Metode elemen Hingga... 28

2.7. Kerangka Konsep... 39

BAB 3 METODE PENELITIAN... 41

(11)

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 51

4.1 Pendahuluan ... 51

4.2 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit ... 61

4.3 Simulasi Busa (Foam) yang Melekat pada Helm... ... 83

4.4 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit dilapisi Busa (Foam)... 91

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 102

5.1 Kesimpulan ... 102

5.2 Saran... 105

(12)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977)... 12

2.2 Klasifikasi cedera kepala... 14

2.3. Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak... 17

3.1. Mekanikal Propertis komposit GFRP……….. 42

3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX…… 42

3.3. Sifat Mekanikal serat jenis E-glass... 43

4.1 Hasil Tegangan Pada Helm Komposit... 83

4.2 Hasil Tegangan Pada Busa (Foam)... 90

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman 2.1 Helm Pertama BuatanBullard...8

2.2 Komponen Helm Sepeda Motor ...9 2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala...15 2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan

Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)...16

2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak ...17 2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk

Komposit...18 2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit...19 2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat

yang Tidak Searah...………...……...21 2.9 Mikro Kerusakan Laminasi pada Matriks, dan Terjadi

Delaminasi pada Lapisan Matriks...21 2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan

Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks ...22 2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185

Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan)...22 2.12 Tampilan Dasar Jenis Elemen...26 2.13 Elemen Diberi Beban...27

(14)

2.15 Diskretisasi Elemen...29

2.16 Bentuk Elemen Solid Tetrahedral...31

2.17 Kerangka Konsep Penelitian...39

3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Enam Lapis...42

3.2 Helm Sepeda Motor Bahan Komposit...43

3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad 2002…………...45

3.4. Gambar Helm Geometri Dibagi Dua...46

3.5 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas...46

3.6 Kotak Dialog Constrain...47

3.7 Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu... 47

3.8 Hasil Grafik dari Hasil Analisa...48

3.9 Hasil Simulasi Distribusi...48

3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian... ...50

4.1 Gambar Helm dengan Autocad...51

4.2 Helm Solid...51

4.3 Lapisan Busa (foam) dengan Gambar Autocad 2002...52

4.4 Busa (foam) Solid...52

4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa...52

4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit...52

(15)

4.9 Dimensi Helm dengan Autocad...54

4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad...56

4.11 Model Helm dibagi Dua...56

4.12 Kotak Dialog Jenis Material...57

4.13 Kotak Dialog Sifat Mekanik Material...57

4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit...59

4.15 Kotak Dialog Mesh...59

4.16 Model Elemen Tetrahedral...60

4.17 Helm yang dimesh...60

4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z...61

4.19 Kotak Dialog Konstrain...61

4.20 Posisi Konstrain...62

4.21 Helm setelah dikonstrain...62

4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen...62

4.23 Kesetimbangan Momentum...62

4.24 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure...63

4.25 Kotak Dialog Arah Pembebanan...64

4.26 Kotak Dialog Model Fungsi...66

4.27 Kotak Dialog Library DYNA yang telah didaftar...66

4.28 Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic...66

4.29 Kotak Dialog Analysis...67

4.30 Kotak Dialog Perintah menyimpan File...67 4.31 Kotak Dialog Tempat Penyimpanan File

(16)

4.33 Kotak Informasi Hasil Analisa... ...68

4.34 Kotak Dialog Pilihan Model Style ... ...69

4.35 Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data... ...69

4.36 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit ... ...70

Impak Atas... ... ...71

4.37 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Atas ... ...73

4.38 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit, Countur diperbesar (Tampak pada tebal helm bagian atas)...73

4.39 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas, Countur diperbesar (Tampak tebal helm bagian dalam )...74

4.41 Kotak Dialaog untuk Set Grafik Distibusi Tegangan...74

4.42 Kotak Dialog XY vs Set Value...75

4.44 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik A)...75

4.45 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik B) ... 76

4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Helm Komposit Impak Samping...77

4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Samping ...77

(17)

4.48 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping ( Lokasi Tegangan dititik A)...79 4.49 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping

(Lokasi Tegangan dititik B)...79 4.450 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit

Impak Belakang...80 4.51 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Belakang...80 4.52 Distribusi tegangan pada helm komposit, countur diperbesar (Tampak tebal helm)...81 4.53 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak

Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)...81 4.54 Grafik Tegangan pada Helm Komposit

Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)...82 4.55 Dimensi Busa (foam)...84

4.56 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X

Impak Atas pada Busa (foam)...84

4.57 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y

Impak Atas pada Busa (foam)...85

4.58 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan

pada Busa (foam) Impak Atas...85

(18)

Impak Samping pada Busa (Foam)...87

pada Busa (Foam) Impak Samping...87

Impak Belakang pada Busa (foam)...88

4.63 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z

Impak Belakang pada Busa (foam)...89

pada Busa (foam) Impak Belakang...89

4.65 Gambar Solid Helm Komposit dilapisi

dengan Busa (foam)...91

4.66 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm

Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...91

4.67 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm

Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas...92

4.68 Distribusi tegangan pada helm komposit dilapisi Busa (Foam) Cuntur diperbesar

(Tampak tebal helm)...92 4.69 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)

Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititikA)...93 4.70 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

(19)

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...94

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping...95

4.73 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar

(Tampak tebal helm)...95 4.74 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik A)...96

4.75 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi

Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B)...97

Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang...98

4.78 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar

(Tampak tebal helm) ...98 4.79 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)

Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)...99 4.80 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)

(20)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman Lampiran 1 Detail Bentuk Kepala Kategori Reguler SNI 1811 2007...106.

Lampiran 2 157 BQTN-EX Series...109 Lampiran 3 Polyethylene Foam LD18... 111 Lampiran 4 Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan

Lalulintas...112 Lampiran 5 Undang-undang No.14 tahun 1992 Pasal 23...114