Analisis Kekuatan dan Deformasi Piston Mesin Bensin-Bio Etanol dan Gas dengan Injeksi Langsung untuk Kendaraan Nasional dengan Simulasi Numerik

Transkripsi

1 Analisis Kekuatan dan Deformasi Piston Mesin Bensin-Bio Etanol dan Gas dengan Injeksi Langsung untuk Kendaraan Nasional dengan Simulasi Numerik Oleh : Moch. Wahyu Kurniawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

2 Latar Belakang Kebutuhan manusia akan kendaraan khususnya di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Salah satu langkah pengembangan mobil nasional dengan melakukan modifikasi pada piston. Perubahan pada geometri dan dimensi piston akan mengubah kemampuan piston tersebut dalam menerima beban. Untuk mengetahui sejauh mana perubahan tersebut terjadi pada piston maka perlu dilakukan pengamatan

3 Rumusan Masalah Bagaimana distribusi temperatur, tegangan dan displacement yang terjadi pada masing masing piston Berapa angka keamanan masing masing piston berdasarkan teori kegagalan Bagaimana ketahanan kelelahan (fatigue) masing masing piston Bagaimana pengaruh modifikasi piston terhadap tegangan dan deformasi yang terjadi

4 Tujuan Mengetahui ditribusi temperatur, tegangan dan displacement yang terjadi pada masing masing piston Mengetahui angka keamanan masing masing piston berdasarkan teori kegagalan Mengetahui ketahanan kelelahan (fatigue) masing masing piston Mengetahui pengaruh modifikasi piston terhadap tegangan dan deformasi yang terjadi

5 Manfaat Bisa menjadi pertimbangan untuk melanjutkan pengembangan dari penelitian pembuatan kendaraan nasional. Sehingga dengan hal tersebut bisa menghasilkan kendaraan nasional yang sesuai dengan kebutuhan masyarakat.

6 Batasan Masalah Analisis dilakukan secara teoritis dengan struktur dianggap terawat baik Properti material homogen Beban yang diterima piston berupa tekanan dan temperatur hasil pembakaran Piston yang dianalisis adalah piston untuk mesin bensinbio etanol dan gas dengan injeksi langsung jenis Existing dan modifikasi. Hasil analisis hanya berlaku untuk masing masing piston yang dianalisis.

7 Kajian Pustaka Penelitian yang dilakukan oleh Kurbet, Kuppast, dan Chalwa (213) untuk mengamati engine noise dengan simulasi numerik pada piston. Engine yang diteliti adalah engine diesel Kirloskar Penelitian ini dilakukan dengan langkah sebagai berikut : Pengumpulan data Memodelkan piston dengan CATIA V5 Simulasi dengan ANSYS 11 Menyajikan hasil simulasi dalam bentuk tabel dan grafik Gambar teknik piston Kirloskar Model 3D

8 Kajian Pustaka Hasil Penelitian yang dilakukan oleh Kurbet, Kuppast, dan Chalwa Meshing Tegangan von Mises Deformasi sepanjang sumbu x Tabel tekanan gas, tegangan von Mises dan x-displacement pada piston Grafik tegangan von Mises terhadap sudut crank Grafik gap piston-silinder terhadap sudut crank

9 Kajian Pustaka Penelitian yang dilakukan oleh Ghodake dan Patil tentang penggunaan CAE Tools untuk desain dan analisis piston Dilakukan dengan mensimulasikan piston menggunakan tumpuan fixed support pada kedua lubang boss piston dan beban merata pada bagian crown piston. Hasil dari penelitian tersebut didapatkan tegangan ekuivalen sebesar 396 MPa dengan pembebanan sebesar 18 MPa.

10 Kajian Pustaka Penelitian yang dilakukan oleh Gudimetal dan Gopinath (29) tentang reverse engineering pada piston motor pembakaran dalam. Analisis structural dan thermal Hasil dari penelitian tersebut didapatkan tegangan ekuivalen sebesar 245,42 MPa dengan pembebanan sebesar 3,2 MPa dan diameter 47,76 mm, sedangkan hasil temperatur terdistribusi antara 36 C sampai 99,48 C.

11 Dasar Teori Piston Fungsi utama piston adalah mentransmisikan energi hasil pembakaran Bahan dasar yang dipakai untuk piston pada dasarnya ada dua macam material utama yaitu paduan aluminium dan besi tuang kelabu Dalam keadaan operasional maka piston akan mengalami tekanan besar dan temperatur tinggi

12 Dasar Teori Konsep Tegangan Rerangan Suatu benda menerima gaya luar Mengalami tegangan internal xx F A xy V A

13 Dasar Teori Konsep Tegangan Rerangan Tegangan pada elemen 2D xy yx x y xy xy yx yz zy xz zx Tegangan pada elemen 3D x xy zx xy y yz zx yz z

14 Dasar Teori Konsep Tegangan Rerangan L d x u x z w z y v y x v y u 2 1 xy z v y w yz x w z u zx Normal Strain Shear Strain

15 Dasar Teori Konsep Tegangan Rerangan u D w v u x z y z x y z y x zx yz xy z y x z y x x E 1 z x y y E 1 y x z z E 1 xy xy G 1 yz yz G 1 zx zx G 1 xt T Hubungan Tegangan Regangan Regangan thermal T G 1 G 1 G 1 E 1 E E E E 1 E E E E 1 w v u x z y z x y z y x u D zx yz xy z y x

16 Dasar Teori Teori Kegagalan Teori Tegangan Geser Maksimal 1 2 yp N Teori Energi Distorsi Maksimal Kelelahan m a Modified Goodman : 1 Untuk beban yang σ m, bisa menggunakan equivalent alternating stress S U S E yp N a e 2 a 1 S m U Dengan pendekatan dengan persamaan Basquin, umur kerja bisa dirumuskan N f B S a U e

17 Metodologi Start Benda Uji : Piston Studi Literatur Perumusan Masalah Simulasi Numerik Analisis Tegangan, Deformasi dan Temperatur Analisis dengan Teori Kegagalan Analisis Ketahanan terhadap Kelelahan Analisis Pengaruh Modifikasi Piston Aman Kesimpulan End

18 Metodologi Data Piston Existing

19 Metodologi Data Piston Modifikasi

20 Metodologi Model Piston Existing Isometri Potongan Tampak samping Tampak atas

21 Metodologi Model Piston Modifikasi Isometri Potongan Tampak samping Tampak atas

22 Metodologi Simulasi Tipe Analisis Material Meshing : Thermal-Stress Analysis : Paduan Aluminium : Tetrahidron

23 Metodologi Simulasi Kondisi batas analisis termal

24 Metodologi Simulasi Kondisi batas analisis tegangan

25 Metodologi Simulasi Solution Temperatur Tegangan Deformasi Safety Factor berdasarkan o Teori tegangan geser maksimal (Maximum Shear Stress Theory) o Teori distorsi energi maksimal (von Mises Theory). Umur kerja (cycle) No. Ketentuan Piston Existing Piston Modifikasi 1 Loading Type Ratio 2 Loading Ratio,182,165 3 Analysis Type Stress Life 4 Mean Stress Theory Goodman 5 Stress Component Equivalent

26 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Hasil Simulasi pada Piston Existing Temperatur,88 % dibanding 15 C Tegangan,3 % dibanding 1 Mpa pada 37 Displacement,45 % dibanding,1 mm pada 3

27 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Hasil simulasi pada Piston Modifikasi Temperatur,26 % dibanding 28 C Tegangan,13 % dibanding 13 Mpa pada 233 Displacement,7 % dibanding,12 mm pada 172

28 Distribusi Temperatur pada Piston Existing

29 Distribusi Temperatur pada Piston Modifikasi

30 Distribusi Tegangan pada Piston Existing Total Total Akibat Beban Termal Akibat Beban Mekanik

31 Distribusi Tegangan pada Piston Modifikasi Total Total Akibat Beban Termal Akibat Beban Mekanik

32 Distribusi Deformasi pada Piston Existing

33 Distribusi Deformasi pada Piston Existing Deformasi Total Arah x Arah y Arah z (mm) Mekanik,73,113,87,42 Thermal,243,241,54,152 Kombinasi,126,227,17,128

34 Distribusi Deformasi pada Piston Modifikasi

35 Distribusi Deformasi pada Piston Modifikasi Deformasi (mm) Total Arah x Arah y Arah z Mekanik,4,42,16,23 Thermal,56,487,239,341 Kombinasi,298,391,71,298

36 Pengaruh Modifikasi Jenis Existing Modifikasi Angka keamanan 1,34 1,3 Teori tegangan geser maksimal Angka Keamanan 1,38 1,5 Teori distorsi energi maksimal Umur Kerja (cycle) 4,92 1 5, Deformasi pada sumbu x (mm),227,391 Deformasi pada sumbu y (mm),17,71 Deformasi pada sumbu z (mm),128,298 Modifikasi geometri pada bagian bagian kritis untuk meningkatkan angka keamanan dan umur kerja Penyesuainan besarnya toleransi piston-silinder berdasarkan deformasi Penambahan desain sistem pendingin untuk mengurangi efek termal

37 Kesimpulan Kesimpulan yang didapatkan dari analisis antara lain : Pada piston existing temperatur berdistribusi dari 266 C sampai 31,142 C, sedangkan pada piston modifikasi temperatur berdistribusi dari 454 C sampai 57,934 C. Tegangan maksimal pada piston existing sebesar 21 MPa, sedangkan pada piston modifikasi sebesar 264 MPa. Deformasi total pada piston existing sebesar,126 mm, sedangkan pada piston modifikasi sebesar,298 mm. Angka keamanan berdasarkan teori tegangan geser maksimal pada piston existing adalah 1,34 dan pada piston modifikasi adalah 1,3. Angka keamanan berdasarkan teori distorsi energi maksimal pada piston existing adalah 1,39 dan pada piston modifikasi adalah 1,5. Umur kerja pada piston existing adalah 4,92 x 1 5 cycle dan pada piston modifikasi adalah,96 x 1 5 cycle. Perbaikan desain perlu dilakukan untuk meningkatkan kekuatan dan umur kerja piston bisa dengan menambahkan struktur penguat (chamfer) pada titik titik tempat terjadinya konsentrasi tegangan di daerah skirt. Untuk meminimalkan besarnya efek termal bisa dengan menambahkan sistem pendingin pada desain piston.

38 Sekian Mohon Kritik dan Saran Terima Kasih