Analisis Statik Struktur Mesin Pencetak Batu Bata Merah Berkapasitas 8 Buah per Menit Dengan Menggunakan Cosmosworks 2004 tm

Transkripsi

1 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November 009 Analisis Statik Struktur Mesin Pencetak Batu Bata Merah Berkapasitas 8 Buah per Menit Dengan Menggunakan Cosmosworks 004 tm Encu Saefudin dan Tito Shantika Jurusan Mesin, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Nasional Jl. PKH. Mustapha No. 3, Bandung 4014 encu@itenas.ac.id, tshantika@itenas.ac.id Abstrak Batu bata merupakan salah satu jenis material ang banak digunakan dalam pembangunan infrastruktur di Indonesia. Telah banak berkembang industri batu bata, mulai dari skala industri rumah tangga hingga industri besar. Pada skala industri rumah tangga pencetakan batu bata masih menggunakan cara tradisional. Oleh karena itu dibuatlah mekanisme mesin pencetak batu bata merah, ang dapat meningkatkan jumlah produksi dengan kualitas ang lebih baik Dengan bertambah pesatna perkembangan teknologi terutama di bidang komputasi, maka dalam hal rekaasa teknik telah banak menggunakan bantuan komputer. Bentuk perhitungan dan analisis ang kompleks dapat diselesaikan dengan cepat dan akurat menggunakan bantuan program. Salah satuna adalah program ang menerapkan metode elemen hingga (finite element method) adalah COSMOSWorks 004 TM ang terintegrasi langsung dengan program SolidWorks 004 dalam melakukan pemodelan. Tahap pertama ang dilakukan sebelum proses analisis, adalah membuat pemodelan komponen dengan menggunakan program SolidWorks 004. Setelah pemodelan selesai, proses analisis statik siap dilakukan dengan menggunakan program COSMOSWorks 004 TM. Langkah-langkah dalam proses ini adalah, meliputi penentuan jenis permasalahan (stud define), penentuan jenis material (material define), pembentukan jaring-jaring elemen dan titik nodal (meshing), penentuan jenis tumpuan (restraint), pemberian beban (load) dan tahap analisis (analsis). Hasil ang diperoleh dari proses analisis statik berupa tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan faktor keamanan (Safet of Factor). Dari hasil analisis komponen utama mesin pencetak batu bata merah, hampir semua komponen dikategorikan aman berdasarkan nilai faktor keamanan, aitu lebih besar dari 1, kecuali komponen poros input geneva ang memiliki nilai faktor keamanan 0,4 (<1). Ke words : pemodelan, analisis, tegangan, regangan, perpindahan dan faktor keamanan TPPP 7

2 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November PENDAHULUAN Di Indonesia telah banak berkembang industri pembuat batu bata, dalam skala industri rumah tangga hingga industri besar. Selain karena kebutuhanna ang terus meningkat dan banak menerap tenaga kerja, bahan bakuna ang berupa tanah lempung mudah ditemukan dan teknologi pengolahanna relatif sederhana. Di salah satu sentra industri batu bata ang diteliti (daerah Nagrek, Jawa Barat), seluruh proses pencetakan batu bata merah masih dilakukan secara tradisional dan membutuhkan waktu ang lama. Oleh karena itu akan dicoba mengganti cara tradisional tersebut dengan suatu mekanisme menggunakan mesin pencetak batu bata merah. Diharapkan dengan adana mesin pencetak batu bata merah ini dapat meningkatkan jumlah produksi batu bata dengan kualitas ang lebih baik. Dengan bertambah pesatna perkembangan teknologi dibidang komputer, baik dalam hal perangkat keras (hardware) maupun perangkat lunakna (software), maka hampir tidak ada bagian dalam kehidupan manusia pada jaman sekarang ang tidak dihubungkan dengan teknologi komputer. Dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi sekarang ini, sangat sering dijumpai permasalahanpermasalahan teknik ang membutuhkan perhitungan ang cukup banak dan sangat kompleks untuk dapat dilakukan oleh manusia. Oleh sebab itu pada saat ini telah banak digunakan perangkat lunak untuk memudahkan perhitungan maupun analisis lain ang diperlukan, salah satuna adalah COSMOSWorks 004 TM ang merupakan program metode elemen hingga (Finite Element Method). Hal-hal ang dapat dilakukan oleh program tersebut adalah membuat pemodelan, melakukan analisis hingga menampilkan visualisasi ang mendekati dengan wujud aslina. Dalam penelitian ini bertujuan membuat pemodelan dari hasil perancangan, dengan menggunakan software SolidWorks 004 ang terintegrasi langsung dengan COSMOSWorks 004 TM. Juga melakukan analisis statik tiap-tiap komponen hasil perancangan dengan metode elemen hingga (Finite Element Method) menggunakan software COSMOSWorks 004 TM. Dalam penelitian ini dibatasi permasalahan pada pembuatan pemodelan, analisis kekuatan struktur secara statik meliputi analisis tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan mengetahui besarna faktor keamanan (Safet of Factor). Seluruh proses diatas menggunakan software COSMOSWorks 004 TM..DASAR TEORI Persamaan tegangan (stress) pada bidang tiga dimensi merupakan persamaan linear homogen dalam hubunganna dengan l, m, dan n. Satu-satuna pemecahan dapat diperoleh dengan membuat determinan koefisien l, m, dan n menjadi sama dengan nol, sebaagai berikut : = 0 (.1) Pemecahan determinan terebut menghasilkan persamaan pangkat tiga dalam. 3 ( + + ) + ( + + ( + τ τ τ τ τ + τ ) = 0 + τ ) (.) Ketiga akar persamaan merupakan ketiga tegangan utama 1,, dan 3. Regangan (strain) didefinisikan secara umum sebagai perbandingan perubahan panjang terhadap panjang awal, aitu : ΔL L L = δ = = L L L o ε (.3) o o o TPPP 8

3 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November 009 dimanaε adalah regangan linear rata-rata dan δ adalah deformasi Perpindahan (Displacement) di setiap titik pada sumbu,, benda tiga dimensi dapat dinatakan dalam bentuk vektor (u, v, w), dapat ditulis dengan : { da} T { dr} = (.4) e dimana {da} adalah vektor dengan komponen (du, dv, dw) dan {dr} adalah vektor dengan komponen (d, d, d), dan Tc didefinisikan sebagai : u u u v v v T e = (.5) w w w Menurut teori Kriteria Tegangan Von Mises Maksimum, tegangan utama (,, ) dapat dinatakan dengan : Von Mises ( ) + ( ) + ( ) = (.6) VM ijin Sehingga faktor keamanan (Safet of Factor) dapat dihitung : FOS ijin = (.7) Von Mises Metode Elemen Hingga (Finite Element Method) Bila dua elemen digabungkan menjadi satu konstruksi, dapat digunakan prinsip superposisi untuk menentukan kekakuan struktur dua elemen tadi. Gaa ang bekerja adalah : P1 k = P k P k k k 1 + k 3 0 u1 k 3 u k 33 u3 (.8) Elemen tersebut kemudian dirakit membentuk matriks kekakuan [K] untuk seluruh konstruksi. P = K u (.9) { } [ ]{ } Pergeseran (u) tidak diketahui dan diselesaikan dengan persamaan (.9) untuk menghitung pergeseran semua nodal. Bila pergeseran ini dikalikan dengan matriks koordinat posisi nodal [B] dan matriks konstanta elastik [D], maka diketahui tegangan pada setiap titik nodal. { } = [ D][ B]{ u} (.10) TPPP 9

4 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November PEMODELAN Struktur analisis program COSMOSWORKS 004 TM, meliputi : 1. Penentuan Jenis Stud Sebelum proses analisis dilakukan, harus menentukan nama permasalahan (stud), jenis analisis ang dibutuhkan (analsis tpe) serta tipe mesh (mesh tpe). Jenis analisis ang dibutuhkan antara lain static, frequenc, buckling, thermal dan optimiation, dalam hal ini dipilih jenis static karena seluruh komponen diasumsikan dalam keadaan statis. Tipe mesh ang tersedia ada tiga jenis, aitu solid mesh, shell mesh using mid-surfaces dan shell mesh using surfaces. Karena pemodelan ang dibuat dalam bentuk tiga dimensi, maka solid mesh merupakan tipe meshing ang dianjurkan.. Penentuan Jenis Material Jenis material ang digunakan adalah jenis material dari pemodelan ang akan dianalisis. Pada program COSMOSWorks, dapat dipilih jenis material ang telah tersedia dengan cara memilih list from librar atau memasukkan data dari material ang diinginkan melalui pilihan custom defined. Satuan ang dapat digunakan adalah satuan SI, English (IPS) dan Metric (MKS). 3. Pembentukan Jaring-Jaring Elemen dan Titik Nodal ( Meshing ) Proses ini dilakukan secara otomatis oleh komputer. Sebelum melakukan meshing, dilakukan penentuan kualitas dengan cara menentukan bentuk elemenna, karena bentuk elemen akan menentukan jumlah nodalna. Bentuk elemen ang digunakan oleh progam COSMOSWorks ada dua, aitu elemen linear tetrahedral ang umum digunakan pada analisis statik dan elemen parabolic tetrahedral. Untuk mengatur kualitas mesh, dapat dilakukan dengan mengatur slide bar ang menunjukkan hasil meshing ang kasar (coarse) atau halus (fine). Ukuran elemen ang kecil akan menghasilkan kualitas mesh ang tinggi, dan akan membuat analisis lebih akurat. Setelah melakukan proses meshing, titik nodal dengan sendirina akan terbentuk dan titik koordinat setiap nodal pun dapat diketahui. Koordinat ang digunakan merupakan rectangular (X,Y,Z) pada titik nol (0,0,0) atau titik origin. 4. Penentuan Jenis Tumpuan ( Restraint ) Setelah proses meshing selesai dilakukan, langkah selanjutna adalah memberikan tumpuan (restraint) pada pemodelan sesuai dengan Diagram Benda Bebas (DBB) dari perancangan. Jenis tumpuan (restraint) ang ada pada COSMOSWorks adalah fied, immovable (non translation), reference plane or ais, on flat face, on clindrical face, dan on spherical face. Tumpuan tersebut dapat diterapkan pada permukaan bidang ( face ) dan rusuk atau garis pada bidang (edge). Posisi penerapan tumpuan tersebut akan terlihat pada icon selected reference. 5. Pemberian Beban ( Load ) Setelah pemberian tumpuan (restraint) dilakukan maka langkah selanjutna adalah pemberian beban (load). Jenis, besar dan arah beban dapat diterapkan pada pemodelan sesuai dengan DBB dari hasil perancangan. Tipe beban (tpe load) pada COSMOSWorks adalah appl force / moment, appl normal force dan appl torque 6. Tahap Analisis Untuk melakukan proses analisis statik diperlukan masukan (input) berupa model ang telah dilakukan proses diskritisasi (meshing), identifikasi sambungan (contact), sifat-sifat mekanik material (material properties), tumpuan (constrain) dan beban (load). Kemudian analisis statik akan menghasilkan keluaran (output) berupa tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan faktor keamanan (factor of safet) TPPP 10

5 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November CONTOH PEMODELAN Dalam makalah ini akan disajikan contoh pemodelan dari satu komponen utama mesin pencetak batu bata merah aitu poros utama. Komponen tersebut dimodelkan sebagai poros pejal ang dimensina bervariasi mulai dari diameter 3mm, 35mm dan 41mm dengan panjang total 955mm, seperti ang ditunjukkan pada gambar 4.. F P A F P T R B R Keterangan : B F rb B F tb T C R D T F A, E berturut-turut adalah puli 1 dan puli. B, D bertutrut-turut adalah bantalan 1 dan bantalan R D D F E Gambar 4.1 Diagram Benda Bebas Poros 1. Penentuan Jenis Permasalahan ( Stud ) Sebelum proses analisis dilakukan terlebih dahulu menentukan nama permasalahan (stud name), jenis analisis ang dibutuhkan (analsis tpe) serta tipe mesh (mesh tpe).. Penentuan Jenis Material Dari hasil perancangan, jenis material poros utama adalah ST Pembentukan Meshing Dari hasil meshing didapatkan bahwa terdapat nodal dan 1033 elemen, dengan ukuran elemen 10,5319 mm dan toleransi antar elemen 0,56597 mm. Gambar 4.3 dibawah ini merupakan pemodelan poros utama setelah dilakukan proses meshing. Gambar 4. Model Poros Utama Gambar 4.3 Poros Utama Setelah Proses Meshing TPPP 11

6 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November Pemberian Tumpuan ( restraint ) Pemberian tumpuan pada poros utama ini terdapat pada dua lokasi aitu masing-masing pada bantalan dengan asumsi sebagai tumpuan immovable ( non translation), pada gambar Penerapan Beban (load) Gaa-gaa ang terjadi pada poros utama terdapat pada alur pasak puli, roda gigi kerucut dan alur pasak puli engkol. Pada alur pasak puli terdapat gaa F P = 54,86 kg dan F P = 960 kg. Sedangkan pada roda gigi kerucut terdapat gaa F TB = 90,53 kg dalam arah tangensial dan F RB = 74,77 kg dalam arah radial. Pada alur pasak puli engkol terdapat gaa F E = 78,8 kg dan F E = 73,8 kg. Torsi ang terjadi pada poros utama T A = 951,8 kg.cm pada alur pasak puli searah jarum jam (CW), T C = 1475,9 kg.cm pada alur pasak roda gigi kerucut berlawanan arah jarum jam (CCW) dan T E = 1475,9 kg.cm pada alur pasak puli engkol berlawanan arah jarum jam ( CCW ). Pemodelan poros utama ang telah diberi pembebanan dapat dilihat pada gambar 4.5. Gambar 4.4 Poros Utama Setelah Diberi Tumpuan Gambar 4.5 Poros Utama Setelah Diberi Beban 5.ANALISIS STATIK Hasil dari analisis statik meliputi tegangan, regangan, perpindahan dan faktor keamanan dari suatu struktur. Dalam makalah ini akan disajikan contoh hasil analisis statik dari satu komponen utama mesin pencetak batu bata merah aitu poros utama, sebagai berikut : Tegangan ( stress ) Tegangan maksimum ang terjadi sebesar 1483,6 kg/cm terdapat pada nodal 1671, aitu pada alur pasak puli. Hal ini terjadi karena pada alur pasak puli terjadi pembebanan ang paling besar dari puli penggerak. Tegangan minimum terjadi pada bagian poros ang tidak menerima beban, aitu pada nodal 5396 sebesar 0,59 kg/cm, karena pada bagian tersebut tidak menerima pembebanan. Lokasi titik koordinat dapat dilihat pada tabel 5.1. Tabel 5.1 Titik Koordinat Tegangan Maksimum dan Minimum Poros Utama TPPP 1

7 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November 009 Regangan ( strain ) Gambar 5.1 Tegangan ang Terjadi pada Poros Utama Gambar 5. Regangan ang Terjadi pada Poros Utama Regangan maksimum ang terjadi sebesar 4, terdapat pada elemen 361, aitu pada alur pasak puli. Hal ini terjadi karena pada alur pasak puli terjadi tegangan ang paling besar. Sedangkan regangan minimum terjadi pada bagian dudukan bantalan sebelah kanan ( bearing ), aitu pada elemen 760 sebesar 3, , karena tegangan ang terjadi pada bantalan lebih kecil. Hal ini terjadi karena hubungan antara tegangan dan regangan adalah berbanding lurus. Lokasi titik koordinat dapat dilihat pada tabel 5.. Tabel 5. Titik Koordinat Regangan Maksimum dan Minimum Poros Utama Perpindahan ( displacement ) Perpindahan atau defleksi maksimum ang terjadi sebesar 0,1769 mm terdapat pada nodal 1395, aitu pada bagian poros di dekat alur pasak roda gigi kerucut, karena pada bagian tersebut menerima pembebanan paling besar dari roda gigi kerucut. Sedangkan perpindahan minimum terjadi pada dudukan bantalan sebelah kiri ( bearing 1 ), aitu pada nodal 58 sebesar 0 mm, karena defleksi ang terjadi pada tumpuan sangat kecil Lokasi titik koordinat dapat dilihat pada tabel 5.3. Tabel 5.3 Titik Koordinat Perpindahan Maksimum dan Minimum Poros Utama TPPP 13

8 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November 009 Faktor Keamanan ( Safet of Factor ) Gambar 5.4 Faktor Keamanan pada Poros Utama Faktor keamanan maksimum ang terjadi sebesar 100 terdapat pada bagian ang berwarna biru. Sedangkan faktor keamanan minimum terdapat pada bagian ang berwarna merah sebesar,8 ang artina bila beban-beban ang diberikan kepada komponen tersebut ditambahkan dengan beban sebesar,8 kali dari beban ang sekarang, maka komponen tersebut akan mencapai kekuatan luluhna (ield stress). Hal ini terjadi karena pada daerah ang berwarna merah terdapat tegangan ang tinggi sehingga faktor keamananna kecil, sedangkan pada bagian ang berwarna biru tegangan ang terjadi kecil sehingga memiliki faktor keamanan ang besar. Faktor keamanan disini berdasarkan kriteria tegangan Von-Mises Maksimum, aitu : ield vonmises > 1 kg kg cm cm 411 / ; =, / dimana : ield = 411 kg/cm vonmises = 1483 kg/cm Setelah melakukan analisis statik terhadap beberapa komponen utama mesin pencetak batu bata merah, maka diperoleh harga-harga dari hasil analisis tersebut seperti ditunjukkan pada tabel 5.4. TPPP 14

9 Rekaasa dan Aplikasi Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 4-5 November 009 Tabel 5.4 Hasil Analisis Statik Komponen Utama No Komponen Tegangan (kg/cm ) Regangan Perpindahan (mm) Safet Factor Maks Min Maks Min Maks Min Maks Min 1 Poros utama 1483,6 0,59 4, , , , Poros input geneva 731,9 0,0067 1, , , ,4 Poros output geneva ,96 9, , , , Geneva penggerak 180,4 0,09 4, , , ,4 Geneva ang digerakkan 748,3 3, , , , ,4 6.KESIMPULAN Setelah melakukan pemodelan dan analisis statik terhadap mesin pencetak batu bata merah, maka dapat disimpulkan beberapa hal, aitu : 1. Hasil dari analisis statik struktur meliputi tegangan (stresss), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan faktor keamanan (safet of factor).. Tegangan terbesar dialami oleh poros input geneva sebesar 731,9 kg/cm, dan tegangan terkecil dialami oleh geneva ang digerakkan sebesar 3, kg/cm. 3. Regangan terbesar dialami oleh poros input geneva sebesar 1, , dan ang terkecil dialami oleh geneva ang digerakkan sebesar 1, Perpindahan atau defleksi terbesar dialami oleh Poros output geneva sebesar 0,1804 mm. 5. Faktor keamanan minimum terbesar dialami oleh geneva ang digerakkan sebesar 4,4, dan ang terkecil dialami oleh poros input geneva sebesar 0,4. 6. Hampir seluruh komponen mengalami tegangan Von-Mises dibawah tegangan ield dari material, sehingga memiliki nilai faktor keamanan >1 (aman), kecuali komponen poros input geneva dengan nilai faktor keamanan <1 (tidak aman). 7. DAFTAR PUSTAKA [1] Popov, E. P Mechanics of Material. New Jerse : Prentice Hall. [] Mitchell, Shigle Mechanical Engineering Design. Michigan : McGraw-Hill. [3] Callister, William. D Materials Science and Engineering An Introduction. New York : John Wile & Sons. [4] Dieter, George. E Mchanical of Metalurg. New Jerse : Prentice Hall. [5]Cook, Robert D Konsep dan Aplikasi Metode Elemen Hingga. Alih bahasa oleh Bambang Suroatmono. Bandung : Eresco. [6] Krishnamoorth, C. S Finite Element Analsis Theor and Programing Second Edition. Madras : Indian Institute of Technolog. [7] Wiratmaja IGN dan Djoeli Satrijo Metode Elemen Hingga. Bandung : Institut Teknologi Bandung. [8] CosmosWorks Software. CosmosWorks Librar. TPPP 15

10