SIMULASI DINAMIK STIK GOLF REDESAIN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.0

Transkripsi

1 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN SIMULASI DINAMIK STIK GOLF REDESAIN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14. Zulfriend Irwanto Manru 1, Bustami Syam 2 1,2 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus USU Medan 2155 Medan Indonesia zulfriend_manroe@yahoo.com Abstrak Stik golf standar (Wilson) selalu mengalami kerusakan pada batang stik. Setelah disimulasikan menggunakan ansys 14., ternyata terjadi tegangan yang besar pada batang stik. Untuk mengurangi tegangan besar pada batang stik, peneliti meredesain bentuk permukaan kepala stik menjadi rata menggunakan autodesk inventor. Penelitian ini bertujuan mensimulasikan stik golf redesain dengan menggunakan software ansys 14.. Simulai dinamik dilakukan untuk mengetahui distribusi tegangan (respon) pada stik golf setelah terjadi pengimpakan dan membandingkan nilai tegangan stik golf wilson dengan stik golf redesain berdasarkan hasil simulasi. Metode yang dilakukan adalah setelah dilakukan simulasi dengan ansys 14., dilakukan pengambilan beberapa sampel elemen pada stik golf, kemudian dibandingkan dengan stik golf wilson pada daerah sampel elemen yang sama. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa tegangan terbesar terjadi pada bagian permukaan pemukul. sebesar GPa. Pada elemen yang sama nilai tegangan stik golf standar wilson, sebesar 1,5866 GPa, lebih besar daripada nilai tegangan stik golf redesain. Kata kunci: stik golf redesain,simulasi dinamik, tegangan, dan ansys 14,. ABSTRACT Standard golf clubs (Wilson) always suffered damage to the stem sticks. After simulated using ansys 14., there was a large voltage on the rod sticks. To reduce stress on the shaft of the stick, researchers redesign the form of a flat surface of the club head using Autodesk inventor. This research aims to simulate a golf club redesign using ansys 14. software. Dynamic simulations performed to determine the stress distribution (response) at a golf club after the impact and comparing the stress values wilson golf clubs with a golf club redesign based on simulation results. The method is performed after the simulation with ansys 14., was taking some samples of the elements on the golf club, and then compared with a golf club wilson on the same sample area elements. The simulation result shows that the greatest stress occurs on the surface of the batter. at GPa. At the same element voltage standard golf clubs wilson, amounting to GPa, the stress is greater than the value of redesigning the golf club. Keywords: golf club redesign, dynamic simulation, stress, and ansys Pendahuluan Latar Belakang Peralatan golf terus berkembang sesuai dengan kemajuan teknologi. Pada awalnya, kayu hikori dipakai untuk tangkai stik, sementara kayu kesemek Amerika yang keras dan kuat dipakai untuk kepala stik [1]. Pada awal 197-an, tangkai baja digantikan dengan tangkai dari grafit yang ringan dan kuat. Stik wood pertama dari logam dibuat pada awal 198-an, dan perlahan-lahan logam dipakai untuk menggantikan kayu karena logam lebih tahan lama. Stik golf, yang merupakan produk teknologi mutakhir sudah menggunakan tangkai dari grafit dan kepala stik dari titanium yang ringan dan sangat kuat. Dengan memakai titanium, kepala 24

2 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN stik dapat dibuat cukup besar tapi tidak menjadi berat [1]. Umumnya, pemain golf hanya mengetahui teknik-teknik yang digunakan dalam permainan, tanpa mengetahui respon stik golf yang terjadi pada saat memukul bola. Respon yang dimaksud adalah tegangan dan regangan. Kuat dan lemahnya pukulan stik sangat mempengaruhi respon stik golf. Tetapi respon yang terjadi tidak terlihat pada saat permainan, karena keadaan stik golf saat sebelum dan sesudah terjadi pukulan hampir tidak berbeda. Namun, sebenarnya stik golf menerima respon yang dapat mempengaruhi kekuatan stik golf. Tujuan Penelitian 1. Membuat pemodelan redesain stik golf, untuk mendapatkan tegangan yang lebih kecil. 2. Mengetahui distribusi tegangan (respon) pada stik golf setelah terjadi pengimpakan. 3. Membandingkan nilai tegangan stik golf wilson dengan stik golf redesain berdasarkan hasil simulasi. 2. Tinjauan Pustaka Stik Golf Stik merupakan salah satu alat yang terpenting dalam suatu permainan golf. Stik digunakan untuk memukul bola menuju ke lubang. Dalam setiap pukulan, dibedakan stik yang akan digunakan. Dalam bab ini akan dibahas secara lengkap tentang stik golf. Mekanika Ayunan Stik Golf Sebuah ayunan stik golf yang tepat, memiliki dampak yang besar pada permainan golf. Ayunan stik golf memiliki mekanika fisika tertulis dan merupakan contoh yang bagus dari sudut gerak. Ayunan memutar menghasilkan torsi pada klub. Hal ini memaksa perubahan torsi kecepatan sudut klub, menyebabkan rotasi, sehingga kunci untuk dapat memukul bola yang jauh terletak pada kecepatan kepala klub dan bola akan mengalami impak geser. Pendulum Model Ganda Pada gambar 1, ditunjukkan gerakan dalam permainan golf, dimulai dari backswing sampai pada downswing oleh pegolf professional. (a) (b) (c) (d) Gambar 1 pemodelan ayunan pukulan (a) pada awal downswing, (b) pada titik rilis, (c) setelah melepaskan club dan (d) pada saat terjadi impak Untuk lebih dapat dipahami, gambar 1 dimodelkan seperti pada gambar 2. Gambar 2 menunjukkan gerakan lengan dan stik selama ayunan. Pemodelan yang digunakan untuk menganalisis gerakan ini didasarkan pada pendulum ganda. Dasar untuk model pendulum ganda berasal dari praktek modern, yaitu menjaga lengan kiri (untuk pegolf tangan kanan) lurus selama ayunan ke bawah. Gambar 2. Model ganda pendulum dari ayunan golf, (a) pada awal downswing, (b) pada titik rilis, (c) setelah 241

3 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN melepaskan klub dan (d) pada saat terjadi impak. Dengan asumsi, di mana batang dan gagang pada massa tertentu diabaikan, nilai massa dari kepala stik akan menjadi acuan pehitungan gaya dorong. m = ρ x V Nilai gaya dorong (F) stik dapat diperoleh dari perhitungan massa (m) dikali dengan percepatan (a). Dapat dihitung dengan persamaan: F = m x a Data primer permainan golf Kecepatan bola golf lebih tinggi dari pada kecepatan kepala stik pada saat impak. Cochran dan Stobbs (1968) [2] melaporkan bahwa pegolf dunia mempunyai kecepatan club 272,2 m/s. Kecepatan ini sama dengan 16,9 km/h. Kecepatan bola selanjutnya adalah 362 m/s. Perbedaan kecepatan ini diakibatkan karena massa bola yang lebih kecil. Fakta menunjukkan bahwa bola menjadi rata permukaannya pada saat impak, dan selama waktu,5 detik kontak dengan bola elastis yang lepas dari kepala stik. Waktu kontak hampir sama untuk seluruh pukulan, bahkan untuk putting. Material Stik Golf Pada saat ini, material yang sedang dikembangkan untuk membuat stik golf adalah karet untuk pegangan, grafit untuk tangkai, dan titanium untuk kepala stik. Grafit Grafit adalah suatu modifikasi dari karbon dengan sifat yang mirip logam (penghantar panas dan listrik yang baik). Selain tidak cukup padat, grafit juga tidak terdapat dalam jumlah banyak di alam. Oleh karena itu, untuk keperluan peralatan teknik serta pembuatan elektroda, grafit harus dibuat secara sintetik. Pembuatan grafit alam atau grafit yang dibuat dari kokas diperkecil ukurannya, dicampur dengan ter atau resin sintetik, kemudian dipanaskan sehingga membentuk padatan (sintering) dalam 15 cetakan. Pada proses tersebut, bahan-bahan aditif terbakar menjadi arang. Pemanasan yang dilakukan sekali lagi sampai temperatur 3 C akan menghasilkan lebih banyak grafit (grafit elektro). Untuk alat-alat seperti penukar panas, setelah pemanasan, grafit perlu diberi bahan aditif impregnasi (misalnya dempul dan serbuk grafit). Setelah proses impregnasi, ketahanan temperaturnya turun menjadi 165 C [3]. Titanium Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ti dan nomor atom 22. Titanium merupakan logam transisi yang ringan, kuat, berkilau, tahan korosi (termasuk tahan terhadap air laut dan klorin dengan warna putihmetalik-keperakan. Titanium digunakan dalam alloy kuat dan ringan (terutama dengan besi dan aluminum) dan merupakan senyawa terbanyaknya, titanium dioksida, digunakan dalam pigmen putih. Titanium dihargai lebih mahal daripada emas karena sifat-sifat logamnya [4]. Pengujian Stik Golf Pengujian klub dianjurkan untuk menjaga kualitas terhadap pesaing di pasar yang sama dengan produk anda. Panjang dan berat ayunan juga harus dipertimbangkan. Pengujian terdiri dari membandingkan klub dengan menekan masing-masing pada kaki, pusat dan tumit klub. Off Data hit center memberikan informasi mengenai hilangnya jarak dan akurasi. Selain itu, data ini dapat memberikan informasi tentang bobot dari klub dan efek gigi nya. Pengujian poros merupakan bagian penting dari pengujian bobot. Melalui pengujian poros, dapat membandingkan manfaat dari berbagai jenis bahan. 242

4 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN Ayunan Bandul Sederhana Pada gambar 3 ditunjukkan gerakan yang terjadi pada bandul sederhana. Gambar 3 Gerakan bandul sederhana Ketika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan maka benda akan dian dititik keseimbangan B. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana. Bandul adalah benda yang terikat pada sebuah tali dan dapat berayun secara bebas dan periodik yang menjadi dasar kerja dari sebuah jam dinding kuno yang mempunyai ayunan. Dalam bidang fisika, prinsip ini pertama kali ditemukan pada tahun 162 oleh Galileo Galilei, bahwa perioda (lama gerak osilasi satu ayunan, T) dipengaruhi oleh panjang tali dan percepatan gravitasi. Gerak osilasi (getaran) yang populer adalah gerak osilasi pendulum (bandul). Pendulumsederhana terdiri dari seutas tali ringan dan sebuah bola kecil (bola pendulum) bermassa m yangdigantungkan pada ujung tali, gaya gesekan udara kita abaikan dan massa tali sangat kecil sehingga dapat diabaikan relatif terhadap bola. Dengan bandul pun kita dapat mengetahui grafitasi di tempat bandul tersebut diuji. Bandul sederhana adalah sebuah benda kecil, biasanya benda berupa bola pejal, digantungkan pada seutas tali yang massanya dapat diabaikan dibandingkan dengan massa bola dan panjang bandul sangat besar. Ujung tali lain digantungkan pada suatu penggantung yang tetap, jika bandul diberi simpangan kecil, dan kemudian dilepaskan, bandul akan berosilasi (bergetar) di antara dua titik, misalnya titik A danb, dengan periode T yang tetap. Seperti sudah dipelajari pada percobaan mengenai, getaran, satugetaran (1 osilasi) didefinisikan sebagai gerak bola dari A ke B dan kembali ke A, atau dari B ke A dan kembali ke B, atau gerak dari titik A ke B dan kembali ke titik O. Ada beberapa parameter (atau variabel) pada bandul, yaitu periodenya (T), ), massa bandul (m),dan simpangan sudut (O) panjangnya (l). Dengan pendekatan empiris dengan asumsi sebuah bandul, dengan massa m diikatkan pada sebuah tali dengan panjang L. Kemudian masssa ini ditarik kesamping sehingga tali membentuk sudut θ dengan sudut vertikal dan dilepas dari keadaan diam. Prinsip kerjanya dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 4. Prinsip ayunan bola bandul. Kedua gaya yang bekerja pada beban (dengan mengabaikan hambatan udara) adalah gaya gravitasi mg, yang bersifat konservatif, dan tegangan T, yang tegak lurus terhadap gerakan dan karena itu tidak melakukan kerja. Oleh karena itu, dalam persoalan ini energi mekanik sistem beban-bumi adalah kekal. Kita pilih energi potensial gravitasi bernilai nol didasar ayunan. Semula beban berada pada ketinggian h didasar ayunan dan diam. Energi kinetiknya bernilai nol dan energi potensial sistem bernilai mgh. Jadi energi total awal dari sistem 243

5 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN adalah : Distribusi Tegangan Ei= Ki + Ui = + mgh Untuk mengetahui (2.14) distribusi Di mana: tegangan (respon) yang terjadi pada stik Ei = energy total awal system golf setelah terjadi pengimpakan, Ki = energy kinetic awal terlebih dahulu harus mengetahui dan Ui = energy potensial awal membuat simulasi menggunakan software ansys 14.. Ansys 14. adalah Ketika bandul berayun turun, software analisa yang dapat energi potensial berubah menjadi menyelesaikan problem mechanical [7]. energi kinetik. Maka energi akhir dari dasar ayunan menjadi : Ef= Kf + Uf = ½ mv 2 + = ½ mv 2 Simulasi Setelah selesai didesain (2.15) di Di mana : Ef = energy total akhir system Kf = energy kinetik akhir [5]. 3.Metode Penelitian Pemodelan Stik Golf Redesain Redesain stik golf dibuat menggunakan autodesk inventor. Autodesk inventor adalah software cad yang dapat digunakan untuk mendesain benda 2D atau 3D yang lebih kompleks [6]. autodesk inventor, hasil redesain di import ke ansys 14. untuk disimulasikan. Dari analisa respon yang dilakukanini kita dapat menentukan nilai tegangan tertinggi dan terendah yang terjadi. Membandingkan nilai tegangan stik golf wilson dengan stik golf redesain berdasarkan hasil simulasi Nilai tegangan yang sudah didapat dari stik golf Wilson dan stik golf redesain dibandingkan, mana yang mengalami nilai tegangan yang terbesar. Nilai tegangan yang didapat, diambil dari hasil simulasi yang sudah dilakukan menggunakan software ansys Hasil dan Pembahasan (a) Pemodelan Stik Golf Redesain Model stik golf yang didesain di inventor autodesk ditunjukkan pada gambar 6 (a), dan pada gambar 6 (b) ditunjukkan bentuk pemukul yang diredesain rata. (b) (c) Gambar 5 Kepala stik(a) Pegangan stik (b), batang stik (c) 244

6 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN Gambar 6(a) Geometri stik golf redesain setelah dieksport ke ansys 14. (a) Gambar 7 (a) hasil simulasi tegangan pada permukaan pemukul stik redesain Gambar 6 (b) bentuk pemukul rata (sambungan) Distribusi Tegangan Pada stik Golf Hasil Simulasi Hasil simulasi yang ditampilkan adalah untuk simulasi tegangan. Dengan menggunakan ansys 14. ini, kita dapat melihat distribusi tegangan pada stik golf. Pada gambar 7 (a) ditunjukkan hasil simulasi tegangan dengan menggunakan ansys 14.. Pada gambar 7 (b) ditunjukkan konsentrasi tegangan terbesar. (b) Gambar 7(b) konsentrasi tegangan terbesar terjadi pada pemukul (sambungan) Bola yang dipukul menggunakan stik tepat mengenai permukaan pemukul pada titik di atas center dari permukaan pemukul. Dari hasil simulasi, terlihat 245

7 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN distribusi tegangan pada permukaan pemukul. Saat stik diayunkan, dengan kecepatan 272,2 m/s, dan mengenai bola, distribusi tegangan mulai terjadi sampai,5 s. Saat permukaan pemukul mengenai bola, akan mulai terjadi impak, yang akan menyebabkan stress (tegangan) pada stik golf. Dari hasil simulasi dapat diketahui tegangan maksimum yang dihasilkan adalah e9 Pa. Tegangan maksimum terjadi pada bagian sekitar kepala stik dan sambungan antara batang stik dengan kepala stik. Bila tegangan maksimum ini terjadi pada bagian yang sama, saat bola dipukul mengenai titik yang sama, secara berulang-ulang akan menyebabkan perubahan bentuk (deformasi) bahkan terjadi kerusakan. Pada tabel 1ditunjukkan tegangan yang terjadi selama pengimpakan. Tabel 1 tegangan selama pengimpakan. Time [s] Minimum [Pa] Maximum [Pa] e e e+6 5.e e+8 7.5e e+9 1.e e e e+9 1.5e e e e+9 2.e-4 1.9e e e+9 2.5e e e e+8 3.e e e e+8 3.5e e e e+9 4.e e e e+9 4.5e e e e+9 5.e e+9 Dari tabel 1 kita dapat melihat perbedaan nilai tegangan yang terjadi pada pengimpakan untuk setiap waktunya, mulai dari sebelum pengimpakan sampai pada setelah pengimpakan, Pada gambar 4.4 ditunjukkan grafik antara kecepatan terhadap waktu impak. Gambar 8 Grafik tegangan terhadap waktu impact Pada grafik kita bisa melihat tegangan maksimum yang terjadi setelah pengimpakan. Patah terjadi pada tegangan maksimum e+9 Pa. Distribusi Tegangan Pada Stik Golf Untuk melihat distribusi tegangan pada stik golf, dapat diambil sampel elemen pada setiap bagian stik golf. Sampel yang di ambil sebanyak 1 sampel yang mewakili setiap bagian. Berikut 1 sampel yang di ambil dari bagian stik golf, seperti ditunjukkan pada gambar 9. (a) 246

8 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN (b) Gambar 9 Sampel elemen pada (a) pegangan dan tangkai, (b) permukaan pemukul dan sambungan Dari tabel 2 diperoleh grafik distribusi tegangan seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. tegangan maksimum (GPa) Tegangan tegangan maksimum (GPa) (c) Elemen Gambar 1 Grafik distribusi tegangan pada stik golf Perbandingan Hasil Simulasi Stik Golf Wilson dan Redesain Untuk melihat perbandingan antara stik golf wilson dan redesain,pada gambar 11 ditunjukkan perbandingan hasil simulasi pada batang. (d) Gambar 9 (c) bagian bawah kepala stik, (d) bagian atas kepala sti (sambungan) Pada tabel 2 akan ditunjukkan distribusi tegangan untuk setiap sampel elemen yang ada pada komponen stik golf redesain ini. Tabel 2 Distribusi tegangan untuk setiap elemen Elemen tegangan maksimum (GPa) (a) (b) Gambar 11 Perbandingan hasil simulasi pada batang (a) redesain (b) wilson 247

9 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN Gambar 12, menunjukkan perbandingan hasil simulasi pada permukaan pemukul pada kepala stik. (a) (b) Gambar 12 Perbandingan hasil simulasi pada permukaan pemukul (a) redesain (b)wilson. Dari data yang diperoleh, dapat dibuat tabel perbandingan hasil simulasi untuk distribusi tegangan yang terjadi, ditunjukkan pada tabel 3. Tabel 3 Perbandingan distribusi tegangan Elemen Nilai Nilai tegangan tegangan redesain Wilson(GPa) (GPa) Dapat dilihat perbandingan distribusi tegangan yang terjadi pada stik redesain dan stik wilson. Dari tabel di atas, dapat dibuat grafik perbandingan distribusi tegangan yang terjadi, seperti pada gambar 13. tegangan elemen Gambar 13 Grafik Perbandingan distribusi tegangan 5. Kesimpulan Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa: 1. Pemodelan dilakukan dengan menggunakan autodesk inventor. Redesain yang dilakukan hanya pada variasi bentuk permukaan stik golf, sedangkan untuk stik dan pegangannya dibuat sama seperti stik standar. Redesain dilakukan untuk mengurangi tegangan yang besar yang terjadi pada stik golf wilson. Dengan pemodelan redesain ini, diperoleh nilai tegangan maksimumnya, 1,5579 GPa, lebih kecil dari stik golf wilson. 2. Distribusi tegangan yang terjadi pada stik golf berbeda untuk setiap elemen. Dari 1 sampel yang diambil, terlihat bahwa tegangan terbesar terjadi pada bagian permukaan pemukul. Nilai tegangan maksimum yang terjadi adalah sebesar GPa. 3. Dari hasil simulasi, diperoleh perbandingan antara stik standar wilson dengan stik redesain. Dimana nilai tegangan stik golf standar wilson lebih besar daripada nilai tegangan stik golf redesain. Terlihat perbandingan antara batang stik golf wilson dan redesain, di mana tegangan yang lebih rendah terjadi pada stik Nilai tegangan redesain (GPa) Nilai tegangan Wilson(GPa) 248

10 Jurnal e-dinamis, Volume. 8, No.4 Maret 214 ISSN redesain. Pada stik Wilson, pada elemen 6 mengalami tegangan sebesar 1,5886 GPa, sedangkan pada stik redesain, pada elemen 6, GPa. Saran 1. Departemen Teknin Mesin menyediakan sarana (perangkat komputer) khusus untuk simulasi agar mahasiswa dapat terbantu bila akan melakukan penelitian seperti ini lagi. 2. Penelitian ini harus menggunakan perangkat komputer yang memiliki spesifikasi tinggi untuk mempermudah simulasi. 3. Mahasiswa yang ingin melanjutkan penelitian ini, dapat mengembangkan simulasi dengan memvariasikan material stik [3] Wikipedia, 212. Grafit. [2 Maret 212]. [4]Wikipedia, 212. Titanium. [2 Maret 212]. [5] William, Thomson Teori Getaran Dengan Penerapan. Jakarta :Erlangga. [6] Curtis,Waguespack and Loren Jaharus, 21. Mastering Autodesk Inventor 21. Indiana: Willey Publishing. [7] Ifrc, Team, 212. Modul Workshop on The Application of Ansys for Engineering Problems. Medan: IFRC. Daftar Pustaka [1 ]Wikipedia, 212. Sejarah Golf. lf [2 Maret 212]. [2] Cochran and Stobbs, 1968.The Search for My Perfect Swing. 249