1. Buatlah disain dan Jelaskan:
a) Tangki komposit polimer/fiberglass berdiameter 400 mm, tebal 10 mm, panjang 1200 mm. Tutup kiri dan kanan bentuk setengah bola. Tangki digunakan untuk saringan air. Air masuk tangki dipompa dengan tekanan 80 psi.
b) Pintu mobil balap Formula 1.
c) Perahu/sampan nelayan.
d) Rangka sepeda kayuh
a) Tangki Komposit Polimer/Fiberglass untuk Saringan Air Spesifikasi Tangki:
• Diameter: 400 mm
• Tebal: 10 mm
• Panjang: 1200 mm
• Tutup: Setengah bola di kedua ujung
• Material: Fiberglass reinforced polymer (FRP)
• Tekanan: 80 psi (≈ 5.5 bar) Desain dan Penjelasan:
1. Struktur Tangki:
o Tubuh tangki berbentuk silinder dengan ujung berupa tutup setengah bola untuk menahan tekanan air secara merata.
o Material fiberglass/polymer composite dipilih karena ringan, tahan korosi, dan mampu menahan tekanan hingga 100 psi.
2. Perhitungan Tekanan:
o Tegangan lingkar:
o Tegangan material FRP mampu menahan tekanan ini dengan faktor keamanan.
3. Penempatan Air Masuk dan Keluar:
o Air masuk di bagian bawah menggunakan nozzle inlet.
o Air keluar di bagian atas untuk memastikan proses filtrasi.
EVALUASI 3 COMPOSITE Wirind Azhuri
6011241002
Mapping Desain:
Tangki digambar sebagai silinder dengan tutup setengah bola. Posisi nozzle berada di tengah.
b) Pintu Mobil Balap Formula 1 Spesifikasi Pintu:
• Material: Serat karbon (carbon fiber reinforced polymer - CFRP)
• Ketebalan: 5 mm (ramping dan kuat)
• Desain: Monocoque dengan integrasi struktur sasis Penjelasan Desain:
1. Material:
o CFRP digunakan untuk mengurangi bobot dan meningkatkan kekuatan benturan. Serat karbon menyerap energi dengan baik saat terjadi tabrakan.
2. Integrasi:
o Pintu bukan komponen terpisah tetapi menyatu dengan struktur sasis (monocoque) untuk menjaga kekakuan dan keamanan.
3. Fitur Tambahan:
o Quick-release system untuk evakuasi darurat.
o Pelapisan tahan panas di bagian dalam untuk melindungi pengemudi dari suhu tinggi.
Mapping Desain:
Desainnya akan menyatu dengan monocoque, memperlihatkan struktur honeycomb serat karbon dengan lapisan aerodinamis.
c) Perahu/Sampan Nelayan Spesifikasi Perahu:
• Panjang: 4 m
• Lebar: 1.2 m
• Material: Fiber reinforced plastic (FRP)
• Ketebalan: 6 mm Penjelasan Desain:
1. Bentuk Lambung:
o Lambung berbentuk "V-shape" untuk stabilitas di air berombak.
o Bagian bawah diperkuat dengan serat kaca (fiberglass).
2. Material:
o FRP tahan terhadap air laut, ringan, dan mudah diperbaiki.
3. Struktur Tambahan:
o Kursi dan ruang penyimpanan untuk hasil tangkapan.
o Pemasangan tali/pegangan untuk memudahkan pengangkatan.
Mapping Desain:
Perahu dengan bagian bawah berbentuk V-shape, dilengkapi ruang penyimpanan dan posisi duduk nelayan.
d) Rangka Sepeda Kayuh Spesifikasi Rangka:
• Material: Aluminium alloy atau carbon fiber
• Diameter tabung: 40 mm
• Tebal tabung: 2 mm Penjelasan Desain:
1. Material:
o Aluminium alloy: Ringan, tahan karat, dan cukup murah.
o Carbon fiber: Lebih ringan dan kaku, cocok untuk sepeda performa tinggi.
2. Struktur Rangka:
o Bentuk rangka adalah diamond frame untuk distribusi beban yang optimal.
o Tabung utama (top tube, down tube, seat tube) diperkuat untuk menahan beban pengendara.
3. Sambungan:
o Menggunakan las atau adhesive khusus untuk carbon fiber.
4. Fitur Tambahan:
o Dudukan untuk botol air dan rak tambahan.
Mapping Desain:
Rangka berbentuk diamond frame dengan top tube sejajar tanah. Desainnya sederhana, ringan, dan aerodinamis.
2. Pada matrix/tensor tegangan strength, regangan strain dan kekakuan rigidity jelaskan:
a) Sigma 1 dan epsilon 3 b) Tau 23 dan gamma 31 c) C 13, C 42,
d) sumbu simetri pada tensor kekakuan.
a) Sigma 1 dan Epsilon 3
• Sigma 1: Ini merupakan komponen tegangan normal pada sumbu utama pertama (principal axis 1).
Biasanya digunakan dalam tensor tegangan untuk menunjukkan gaya per satuan luas yang bekerja secara normal terhadap suatu bidang.
• Epsilon 3: Ini adalah komponen regangan (strain) pada sumbu utama ketiga (principal axis 3). Strain menunjukkan perubahan bentuk atau panjang relatif terhadap bentuk aslinya.
• Relasi: Relasi antara tegangan (σ) dan regangan (ε) diberikan oleh hukum Hooke untuk material elastis isotropik :
Di mana C adalah tensor kekakuan material.
b) Tau 23 dan Gamma 31
• Tau 23 (τ23)Merupakan komponen tegangan geser pada bidang yang tegak lurus terhadap sumbu ke- 2, dengan arah gaya pada sumbu ke-3.
• Gamma 31 (γ31): Merupakan regangan geser yang dihasilkan akibat tegangan geser (τ31). Regangan ini menggambarkan distorsi sudut pada bidang terkait.
• Relasi Tegangan dan Regangan Geser:
Di mana GGG adalah modulus geser (shear modulus) material, dan i, j adalah indeks tensor.
c) C13 dan C42
• C13: Elemen pada tensor kekakuan (stiffness tensor) yang menggambarkan hubungan antara tegangan pada arah ke-1 (σ1dengan regangan pada arah ke-3 (ε3).
• C42: Elemen pada tensor kekakuan yang menggambarkan hubungan antara tegangan geser di bidang ke-4 dengan regangan di arah ke-2.
• Tensor Kekakuan (Stiffness Tensor): Dalam sistem elastis linier, tensor kekakuan Cijkl memiliki sifat simetri dan dapat ditulis dalam bentuk matriks 6 x 6 untuk material isotropik.
d) Sumbu Simetri pada Tensor Kekakuan
• Tensor Kekakuan: Tensor ini digunakan untuk menggambarkan respons elastis material terhadap tegangan. Pada material isotropik, hanya dua parameter independen diperlukan (modulus Young E dan rasio Poisson V), sehingga sumbu simetri sangat sederhana.
• Untuk material anisotropik, simetri tensor akan bergantung pada sifat material, seperti kubik, heksagonal, atau tetragonal. Ini akan memengaruhi elemen-elemen tensor kekakuan.
Gambar di atas menunjukkan representasi visual tensor kekakuan dalam bentuk matriks 6×6 untuk material isotropik. Warna pada heatmap merepresentasikan nilai-nilai tensor, di mana diagonal utama (C11, C22, C33) adalah komponen utama yang sering digunakan untuk menghitung respon material
terhadap tegangan. Simetri material isotropik terlihat dari nilai yang seragam di diagonal dan nilai-nilai simetris lainnya.
3. Pada komposit lamina serat unidireksional yang dibebani arah 1 (arah prinsipal). Jelaskan
a) Hubungan antara rasio beban fiber/beban composit terhadap modulus elastisitas dan fraksi volume fiber dan matriks.
b) Dalam pembuatan komposit dengan rasio fraksi volume tertentu. Maka komposit sebaiknya dibuat dng fraksi berat lalu dikonversi ke fraksi volume dng menggunakan pembagi density.
c) Mengapa fraksi volune serat dibatasi. Padahal semakin tinggi fraksi serat semakin kuat dan kaku komposit tsb.
a) Hubungan antara Rasio Beban Fiber/Beban Komposit terhadap Modulus Elastisitas dan Fraksi Volume Fiber serta Matriks
1. Definisi Modulus Elastisitas Komposit: Modulus elastisitas (EC) komposit dalam arah serat (arah 1) dapat dihitung berdasarkan prinsip rule of mixtures:
di mana:
o EC Modulus elastisitas komposit.
o EF Modulus elastisitas fiber (serat).
o Em Modulus elastisitas matriks.
o Vf Fraksi volume serat.
o Vm = 1 - VF : Fraksi volume matriks.
2. Rasio Beban Fiber/Beban Komposit: Rasio beban yang diterima fiber terhadap komposit secara langsung dipengaruhi oleh fraksi volume (Vf) dan sifat elastisitas relatif antara fiber (Ef) dan matriks (Em). Karena fiber cenderung memiliki modulus elastisitas yang jauh lebih besar daripada matriks, kontribusi beban fiber menjadi dominan saat Vf meningkat.
3. Pengaruh Fraksi Volume Fiber (VfV_fVf) dan Matriks (VmV_mVm):
o Jika Vf meningkat: Kontribusi fiber terhadap modulus elastisitas (Ec) lebih besar, sehingga komposit menjadi lebih kaku dan mampu menahan beban lebih tinggi.
o Jika Vf rendah: Matriks mengambil porsi beban lebih besar, menyebabkan Ec menurun.
4. Hubungan Rasio Beban dan Modulus Elastisitas: Untuk nilai tertentu Ef>>Em, peningkatan Vf akan secara signifikan meningkatkan modulus elastisitas komposit Ec. Grafik di bawah ini menggambarkan hubungan tersebut.
b) Pembuatan Komposit dengan Rasio Fraksi Volume Tertentu
1. Penggunaan Fraksi Berat untuk Konversi ke Fraksi Volume: Fraksi berat (WfW_fWf) lebih mudah diukur selama pembuatan komposit karena pengukuran berat lebih sederhana dibandingkan volume.
Fraksi berat dapat dikonversi ke fraksi volume menggunakan hubungan berikut:
di mana:
o Wf : Fraksi berat fiber.
o ρf: Densits fiber.
o ρm : Densitas matriks.
2. Langkah Konversi:
o Tentukan fraksi berat (Wf) dari fiber.
o Gunakan nilai densitas fiber (ρf ) dan matriks (ρm ).
o Hitung fraksi volume fiber (Vf) menggunakan formula di atas.
3. Keuntungan Penggunaan Fraksi Berat:
o Pengukuran massa lebih praktis dan presisi.
o Menghindari kesalahan akibat ketidakpastian volume fiber dan matriks.
c) Alasan Pembatasan Fraksi Volume Fiber
1. Praktis: Pada tingkat Vf yang sangat tinggi (Vf>0.8), serat-serat mulai saling bersentuhan, menyebabkan distribusi resin (matriks) yang tidak merata. Hal ini dapat menciptakan zona lemah dalam komposit, seperti void (rongga) atau retakan.
2. Kebutuhan Matriks: Matriks berfungsi untuk:
o Melindungi serat dari kerusakan akibat abrasi atau lingkungan.
o Mendistribusikan beban secara merata di antara serat.
o Mengikat serat agar bekerja sebagai satu kesatuan.
Jika Vf terlalu tinggi, fungsi ini tidak optimal, sehingga kekuatan komposit secara keseluruhan dapat menurun.
3. Keterbatasan Proses Fabrikasi: Fraksi volume fiber yang sangat tinggi sulit dicapai dengan metode fabrikasi konvensional karena kendala impregnasi resin ke serat.
4. Hubungan Kekuatan dan Kekakuan: Meskipun kekakuan meningkat dengan Vf, kekuatan komposit bisa menurun akibat faktor-faktor seperti:
o Retak antar serat (fiber-fiber debonding).
o Void akibat kurangnya resin.
Ilustrasi Grafik
Grafik berikut menunjukkan hubungan Vf, kekuatan, dan modulus elastisitas:
• Sumbu X: Fraksi Volume Fiber (Vf).
• Sumbu Y: Modulus Elastisitas (Ec) dan Kekuatan (σc).
Grafik di atas menunjukkan hubungan antara fraksi volume fiber (Vf) dengan modulus elastisitas (Ec) dan kekuatan komposit. Berikut adalah penjelasan:
1. Modulus Elastisitas (Ec):
o Meningkat secara linear dengan bertambahnya Vf, karena sifat elastis fiber mendominasi pada fraksi volume tinggi.
2. Kekuatan Komposit:
o Meningkat hingga sekitar Vf=0.8, tetapi menurun setelahnya karena distribusi resin menjadi tidak optimal, menciptakan zona lemah seperti void atau debonding antar serat.
3. Batas Optimal (Vf=0.8):
o Fraksi fiber yang lebih tinggi dari ini cenderung mengurangi efisiensi komposit karena keterbatasan matriks dalam mendukung serat.
