RESPON POLYMERIC FOAM YANG DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)
AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK DAN IMPAK
(SIMULASI NUMERIK)
TESIS
Oleh:
MUFTIL BADRI M 087015005/TM
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
RESPON POLYMERIC FOAM YANG DIPERKUAT
SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS)
AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK DAN IMPAK
(SIMULASI NUMERIK)
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh:
MUFTIL BADRI M 087015005/TM
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Judul Tesis : RESPON POLYMERIC FOAM YANG DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT (TKKS) AKIBAT BEBAN TEKAN STATIK DAN IMPAK
(SIMULASI NUMERIK)
Nama Mahasiswa : Muftil Badri M Nomor Pokok : 087015005
Program Studi : Magister Teknik Mesin
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua
(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Dr. Khrisna Bhuana, MS)
Anggota Anggota
Ketua Program Studi, Dekan,
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Tanggal lulus: 09 Desember 2010
Telah Diuji Pada Tanggal : 09 Desember 2010
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Dr. Khrisna Bhuana, MS
3. Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri 4. Ir. Tugiman, MT
ABSTRAK
Penelitian secara eksperimen dan numerik telah dilaporkan untuk menyelidiki permasalahan respon polymeric foam diperkuat serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) akibat pembebanan kondisi pembebanan statik dan impak. Di dalam penyelidikan secara eksperimen, pengujian tekan statik aksial digunakan terhadap spesimen polyurethane, resin termoset, dan polytmeric foam diperkuat serat TKKS dan pengujian spesimen tersebut dilakukan pada mesin uji material servohidraulik. Respon tegangan-regangan rata-rata dan mode kerusakan setiap material diperoleh dari uji statik. Mode kerusakan setiap material dan kehancuran rongga polymeric
foam diperkuat serat TKKS diamati menggunakan scanning electron microscope. Di
dalam simulasi numerik, variasi distribusi tegangan normal terhadap waktu pada
polymeric foam diperkuat serat TKKS akibat beban statik dan propagasi gelombang
impak akan dianalisa menggunakan metode elemen hingga (MEH). Elemen hingga dengan kode ANSYS dan NASTRAN digunakan dalam analisa tegangan secara numerik. Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini sebagai berikut: (1) Tegangan
yield, tegangan maksimum, dan regangan saat patah dipengaruhi oleh rongga, rongga
tersebut mereduksi tegangan dan menurunkan regangan saat patah. Mode kerusakan ditemukan sangat berbeda untuk setiap jenis material. Polyurethane menunjukkan kerusakan yang acak secara makroskopik, resin termoset dan polymeric foam
diperkuat serat TKKS menunjukkan dominasi kegagalan geser dan rongga-rongga mengalami kerusakan bertahap. (2) Berdasarkan hasil simulasi MEH ditemukan bahwa mekanisme kerusakan bersesuaian dengan daerah konsentrasi tegangan tekan statik. (3) Hasil komputasi FEM menyarankan bahwa propagasi gelombang tegangan insiden tekan berhubungan dengan beban impak. (4) Berdasarkan hasil uji tekan statik aksial, modulus elastisitas dan kekakuan telah ditetapkan dan ditemukan bahwa resin termoset berkontribusi meningkatkan kekakuan polyurethane.
Kata kunci: polymeric foam, serat TKKS, tegangan tekan statik, tegangan insiden tekan, modulus elastisitas, kekakuan
ABSTRACT
Experimental and numerical work was reported on the problem of the response of oil palm empty fruit bunch (OPEFB) fiber reinforced polymeric foam under static and impact loading conditions. In the experimental investigation, the static axial compressive test was applied on polyurethane, thermosetting resins, and OPEFB fiber reinforced polymeric foam specimens and these specimens were conducted on a servohydraulic material testing machine. The averaged stress-strain response and the fracture modes in each type of materials were derived from static test. The fracture modes in each type of materials and the collapsed cells of OPEFB fiber reinforced polymeric foam were observed by a scanning electron microscope. In the numerical simulation, the variation of the distributions of normal stresses with normalized time in OPEFB fiber reinforced polymeric foam due to static and impact wave propagation was analyzed by using a finite element method (FEM). The finite element code ANSYS and NASTRAN were used for numerical stress analysis. The obtained summaries were as followed: (1) The yield stress, the maximum stress, and the strain to failure were influenced by foams, these foams reduced the stress and decreased the strain to failure. The fracture modes were also found to be considerably different for each type of materials. Polyurethane exhibited random macroscopic fracture, thermosetting resins and OPEFB fiber reinforced polymeric foam exhibited shear dominated failure and the cells suffered progressive crushing. (2) Based on FEM computation results were found that the fracture mechanism corresponded to the regions of the static compressive stress concentration. (3) FEM computation results suggested that the propagation of incident compressive stress wave related to impact loading. (4) Based on the static axial compressive test results, the Young’s modulus and the stiffness were determined and it was found that thermosetting resins may also contributed to increased the stiffness of polyurethane. Keywords: polymeric foam, OPEFB fiber, static compressive stress, incident
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahhirabbil’alamin penulis ucapkan kehadhirat Allah S.W.T yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Tesis ini berjudul “Respon Polymeric Foam yang Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) akibat Beban Tekan Statik dan Impak (Simulasi Numerik)”
Tesis merupakan hasil akhir penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Proses penulisan dan penyelesaian tesis ini tidak terlepas dari mekanisme dan peraturan yang ditentukan oleh Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang tinggi atas segala bimbingan dan arahan yang diberikan kepada:
1. Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng. (anggota), Dr. Krishna Surya Bhuana, MS. (anggota) sebagai tim komisi pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing dan memberikan arahan kepada penulis sejak pembuatan proposal sampai ujian tesis. 2. Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik USU.
3. Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr. -Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
4. Prof. Hiromi Homma dari TUT Japan sebagai Visiting Professor pada Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU atas segala arahan dalam melakukan penelitian.
5. Rektor dan Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau atas kepercayaan dan izin yang diberikan untuk menempuh pendidikan Program Magister.
6. Seluruh dosen dan staf administrasi Program Magister Mesin Fakultas Teknik USU yang telah banyak memberikan Ilmu Pengetahuan dan bantuan selama
penulis dalam Pendidikan di Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
7. Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah mengizinkan penggunaan fasilitas Simulasi Komputer secara maksimal.
8. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang ada di Pusat Riset Impak dan Keretakan yang telah banyak membantu dalam melakukan penelitian dan penyelesaian tesis ini.
Sebagai manusia, penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari tesis ini, namun penulis berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan.
Medan, Desember 2010 Penulis
RIWAYAT HIDUP
Nama : Muftil Badri M
Tempat/ Tanggal Lahir : Pekanbaru / 28 Juli 1980
Pekerjaan : Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Riau
Alamat Kantor : Kampus Bina Widya Simpang Baru Km. 10,5 Pekanbaru, Riau
Pendidikan
Sekolah Dasar (SD) Negeri 25 Pekanbaru Tahun 1986 - 1992 Sekolah Menengah Pertama (SMP) Negeri 04 Pekanbaru Tahun 1992 - 1995 Sekolah Menengah Atas (SMA) Negeri 08 Pekanbaru Tahun 1995 - 1998 Jurusan Teknik Mesin Fak. Teknik Universits Andalas Padang Tahun 1999 - 2003 Magister Teknik Mesin Fak. Teknik USU Medan Tahun 2008 - 2010
Riwayat Pekerjaan
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fak. Teknik
Universitas Riau Tahun 2005 - sekarang
Pengalaman Penelitian/Publikasi
1. Penyelidikan Perpindahan Panas terhadap Sirip Alat Penukar Kalor Aliran Silang.
2. Pengaruh Kondisi Pemotongan terhadap Keausan Pahat Gurdi dan Proses Pengasahannya.
3. Karakteristik Mekanik Komposit Berpenguat Serat Sekam Padi akibat Beban Tarik Statik.
4. Karakteristik Mekanik Komposit Polimer Diperkuat Serat Alam akibat Pembebanan Statik.
5. Respon Polymeric Foam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) akibat Beban Tekan Statik.
6. Pengaruh Serat TKKS terhadap Perilaku Mekanik Polymeric Foam akibat Beban Tekan Statik.
7. Analisa Struktur Kerucut Bahan Polymeric Foam Diperkuat Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit (Simulasi Numerik).
DAFTAR ISI
ABSTRAK ………. i
ABSTRACT……… ii
KATA PENGANTAR ……… iii
RIWAYAT HIDUP ………... v
DAFTAR ISI ……… vii
DAFTAR TABEL ……… ix DAFTAR GAMBAR……… x DAFTAR LAMPIRAN ……….. xv BAB 1 PENDAHULUAN ……… 1 1.1 Latar Belakang ………... 1 1.2 Perumusan Masalah ………... 3 1.3 Tujuan Penelitian ………. 1.3.1 Tujuan umum ……….. 1.3.2 Tujuan khusus ………... 4 4 4 1.4 Manfaat Penelitian ………... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ……….. 6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Polymeric Foam ………... Serat TKKS………... Respon Mekanik akibat Beban Tekan Statik………. 2.3.1 Beban tekan statik aksial……… 2.3.2 Beban tekan statik bending ……….. Respon Mekanik akibat Beban Impak ... 2.4.1 Rambatan gelombang tegangan pada batang ………… 2.4.2 Diagram Lagrange ……….... Metode Tekan Impak Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)... Model Kerusakan Polymeric Foam ……….. Metode Elemen Hingga (MEH) …………..………... 2.7.1 Metode elemen hingga untuk tiga dimensi solid ……. 2.7.2 Elemen tetrahedral ……… 2.7.3 Pemodelan dengan bidang simetri ………
6 8 11 12 14 17 17 18 22 25 26 29 29 40
2.8
2.9 Aplikasi Kerangka Konsep ………... Polymeric Foam Diperkuat Serat TKKS …………... 4648 BAB 3 METODE PENELITIAN ………. 49
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10
Tempat dan Waktu ………... Bahan ... ………... Proses Pembuatan Spesimen Uji ... 3.3.1 Cetakan spesimen uji ... 3.3.2 Persiapan bahan pembentuk spesimen ... 3.3.3 Pembuatan spesimen uji ... Penyelidikan Secara Eksperimental ... Pengamatan Permukaan Retak/Patah ... Plot Data Respon Tekan Statik Aksial ... Penyelidikan Melalui Simulasi Komputer ... 3.7.1 Simulasi tekan statik aksial dan bending ... 3.7.2 Simulasi impak bending dan SHPB ... Variabel-variabel Penelitian ... Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian ... Skedul Penelitian ... 49 49 52 52 53 54 55 59 59 61 62 71 84 85 86 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN …….……….. 88
4.1 4.2 4.3
4.4
Massa Jenis …….……….. Hasil Pengujian Tekan Statik Aksial …………..……….. 4.2.1 Hubungan Tegangan Regangan ... 4.2.2 Model kegagalan ………..………. Hasil Simulasi Numerik ……… 4.3.1 Respon tekan statik aksial teoritik ……… 4.3.2 Respon tekan bending teoritik ……….. 4.3.3 Simulasi uji tekan statik aksial ………. 4.3.4 Simulasi uji tekan statik three-point bending …….….. 4.3.5 Simulasi uji impak SHPB……….. 4.3.6 Simulasi impak bending ……… Diskusi ………. 88 88 88 90 99 99 104 107 109 114 123 130 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ……… 131
5.1
5.2 Kesimpulan ……….. Saran ………. 131132 DAFTAR PUSTAKA ……… 134
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Karakteristik Serat Tunggal TKKS ... 11
2.2 Kondisi Batas untuk Beban yang Simetri ... 45
2.3 Kondisi Batas untuk Beban yang Tidak Simetri ... 45
3.1 Komposisi Bahan Penyusun Spesimen Uji... 50
3.2 Massa Spesimen Uji ……….... 53
3.3 Massa Bahan Penyusun Spesimen Uji ... 53
3.4 Peralatan untuk Persiapan Bahan Penyusun ... 54
3.5 Format Tabel Data Hasil Pengujian ... 60
3.6 Lokasi dan Jadwal Penelitian ... 87
4.1 Massa Jenis Spesimen Uji ... 88
4.2 Respon dan Karakteristik Material ... 96
4.3 Properties Material Setup Uji Impak ... 114
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Jenis Material Berongga ... 7
2.2 Pemrosesan Serat TKKS ………... 9
2.3 Bentuk Serat Tunggal TKKS yang Diamati Menggunakan Mikroskop Optik Zeiss ...………... 10
2.4 Tipikal Kurva Respon Tegangan-Regangan terhadap Material Foam akibat Beban Tekan Statik Aksial ……... 12
2.5 Diagram Uji Tekan Statik ………... 13
2.6 Three-Point Bending terhadap Batang Lurus ... 14
2.7 Distribusi Tegangan akibat Bending ... 15
2.8 Perilaku Gelombang Longitudinal …………... 17
2.9 Diagram Lagrange ………... 20
2.10 Batang Kolsky …………...………..…… 23
2.11 Model Foam yang Dikenai Beban Tekan …..………..…... 25
2.12 Model Struktur Foam Retak/Patah akibat Buckling ...... 26
2.13 Contoh Pembebanan terhadap Struktur 3D Solid ... 29
2.14 Struktur 3D Solid yang Dibagi Menjadi Elemen-elemen Tetrahedral ... 30 2.15 Elemen Tetrahedral ... 30
2.16 Koordinat Volume Elemen Tetrahedral ... 32
2.18 Koordinat Natural, η = Konstan ………..………… 37
2.19 Koordinat Natural, ζ = Konstan ………..……… 37
2.20 Koordinat Cartesian xyz dari Titik O ………..…... 38
2.21 Perbedaan Jenis Simetri terhadap Struktur ………..……... 41
2.22 Model Balok dengan Bidang Simetri ………..……… 42
2.23 Struktur Solid 2D dengan Aksis Simetri x = c ………..………. 42
2.24 Struktur Balok yang Simetri dengan Beban yang Sederhana …. 44 2.25 Struktur Balok yang Tidak Simetri dengan Beban yang Sederhana ………... 44 2.26 Struktur Silinder Menggunakan Elemen Aksisimetri 1D……... 46
2.27 Struktur 3D Menggunakan Elemen Aksisimetri 2D……..……. 46
2.28 Contoh Alat Bantu Ortopedi (Kaki Palsu) ………. 47
2.29 Contoh Tempat Penampungan Sampah Sementara …………... 47
2.30 Kerangka Konsep ………..………. 48
3.1 Karakteristik Beberapa Variasi Persentase Komposisi (PU/Resin/Serat/Katalis) ……….…….. 50 3.2 Foto Spesimen Uji Tekan Statik Aksial Menurut ASTM D 1621-00 ... 51
3.3 Foto Spesimen Polymeric Foam yang Diperkuat Serat TKKS.. 52
3.4 Foto Cetakan Spesimen ... 52
3.5 Persiapan Bahan-bahan Penyusun Spesimen Uji ... 54
3.7 Setup Alat Uji Tekan Statik Aksial ... 56
3.8 Skema Persiapan Shimadzu Servopulser ... 57
3.9 Skema Uji Tekan Statik ... 57
3.10 Setup Alat Uji SEM Tipe LEO 420 ... 59
3.11 Contoh Kurva Respon Tegangan-Regangan (Teknik) ... 61
3.12 Pemilihan Element Type ... 62
3.13 Input Data Sifat-sifat Material Orthotropic... 63
3.14 Geometri Spesimen Uji Tekan Statik ... 64
3.15 Input Data Radius Solid Circular Area ... 65
3.16 Pemilihan Subtract Areas ... 65
3.17 Pengaturan Extrude Area ... 66
3.18 Model Spesimen Uji Tekan Statik Aksial ... 66
3.19 Input Data Block by 2 Corners ...... 67
3.20 Model Spesimen Uji Tekan Bending ... 67
3.21 Input Data Global Element Size ....... 68
3.22 Hasil Mesh Spesimen Uji Tekan Statik ... 68
3.23 Input Data Constraint dan Beban ... 69
3.24 Model Spesimen Uji Tekan Statik Aksial yang telah Diberi Contraint dan Beban ... 70
3.25 Model Spesimen Uji Tekan Statik Bending yang telah Diberi Constraint dan Beban ... 71
3.27 Model Spesimen Uji Impak ... 73
3.28 Input Ukuran Elemen ... 74
3.29 Model Mesh Spesimen Uji Impak ... 75
3.30 Pengaturan Data Sifat-sifat Material ... 76
3.31 Pengaturan Constraint ...... 77
3.32 Pengaturan Model Fungsi ... 78
3.33 Kurva Tegangan Insiden ... 81
3.34 Pengaturan Beban Impak ... 82
3.35 Constraint dan Beban Spesimen Impak ... 83
3.36 Pengaturan Analisa ... 84
3.37 Diagram Alir Penelitian ... 85
4.1 Kurva Respon Tegangan-Regangan Rata-rata (Teknik) akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 89 4.2 Respon Tegangan-Regangan Polymeric Foam akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 91 4.3 Mode Kegagalan Polymeric Foam akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 92 4.4 Mode Kegagalan Resin Beban Tekan Statik Aksial ... 93
4.5 Respon Tegangan-Regangan Polymeric Foam yang Diperkuat Serat TKKS akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 94
4.6 Mode Kegagalan Polymeric Foam Diperkuat Serat TKKS akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 95
4.7 Foto SEM Kerusakan akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 97
4.9 Elemen Tetrahedral pada Koordinat Cartesian ... 100
4.10 Pembagian Elemen Spesimen Tekan Bending ... 105
4.11 Diagram Benda Bebas Spesimen Bending ... 105
4.12 Model Penampang Spesimen Bending ... 106
4.13 Distribusi Tegangan Von Mises akibat Beban Tekan Statik Aksial ... 108
4.14 Perbandingan Respon Tegangan-Regangan Hasil Pengujian Tekan Aksial terhadap Simulasi Polymeric Foam Diperkuat Serat TKKS ……… 110
4.15 Kurva Distribusi Tegangan Von Mises akibat Beban Tekan Aksial ………. 110
4.16 Distribusi Tegangan akibat Beban Bending Statik ………. 112
4.17 Kurva Distribusi Tegangan akibat Beban Bending Statik …….. 113
4.18 Analisa Diagram Simulasi Impak ……… 116
4.19 Input Data Beban Dinamis ...……….. 117
4.20 Kurva Tegangan Insiden untuk Simulasi ... 117
4.21 Perpindahan Model Spesimen akibat Beban Impak ... 118
4.22 Input Nilai Perpindahan Spesimen ... 119
4.23 Distribusi Tegangan Von Mises akibat Beban Impak SHPB ... 120
4.24 Grafik Penjalaran Gelombang Impak terhadap Elemen yang Mengalami Tegangan Kritis ... 121 4.25 Lokasi Pengukuran Penjalaran Gelombang Impak SHPB ...
121 4.26 Grafik Penjalaran Gelombang Impak di Tiga Lokasi
Pengukuran...
4.27 Perkiraan Tegangan Impak yang Menimbulkan Kerusakan
Berdasarkan Tegangan Insiden Tekan ... 123 4.28 Lokasi Pengukuran Penjalaran Gelombang Impak Bending ... 124 4.29 Distribusi Tegangan Von Mises pada Model Spesimen Impak
Bending ...
125 4.30 Grafik Penjalaran Gelombang Impak Bending di Tiga Lokasi
Pengukuran ... 126 4.31 Lokasi Pengukuran Penjalaran Gelombang Impak Bending
terhadap Bidang Penampang Potongan (Simetri) ...
128 4.32 Grafik Penjalaran Gelombang Impak Bending di Bidang
Penampang Potongan (Simetri) ...
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
1. Data Uji Tekan Statik Aksial Polymeric Foam ...... 138 2. Data Uji Tekan Statik Aksial Resin ......... 142 3. Data Uji Tekan Statik Aksial Polymeric Foam Diperkuat
Serat TKKS ... 146 4. Laporan Pengujian Foto SEM ... 149 5. Distribusi Tegangan Normal akibat Beban Impak SHPB ... 152 6. Distribusi Tegangan Normal akibat Beban Impak Bending .... 155
