DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2013

Transkripsi

1 ANALISIS SIMULASI STRUKTUR CHASSIS MOBIL MESIN USU BERBAHAN BESI STRUKTUR TERHADAP BEBAN STATIK DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK ANSYS 14.5 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ARY FADILA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2013

2

3

4

5

6

7

8

9

10 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia yang diberikan kepada Penulis sehingga dapat menyelesaikan laporan skripsi ini dengan judul Analisis Simulasi Struktur Chassis Mobil Mesin USU Berbahan Besi Struktur Terhadap Beban Statik dengan Menggunakan Perangkat Lunak Ansys Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Regular Teknik Mesin Fakultas Teknik. Dalam proses pengerjaan skripsi ini penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, data-data, dan lain-lain. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah banyak memberi masukan serta membina saya selama mengerjakan penelitian ini. Bapak Dr. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU beserta seluruh Dosen dan Staf administrasi. Bapak Ir. Tugiman K, MT dan Bapak Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen pembanding yang telah memberikan masukan dalam penyusunan skripsi ini. Seluruh teman teman stambuk 2008, terkhusus teman teman tim Horas yang telah jatuh bangun dan berjuang bersama dalam membuat mobil Mesin USU. Dan khususnya penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Kedua orangtua penulis, Ayahanda Suryadi dan Ibunda Ila Sabirin yang telah memberikan do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga saudara-saudara penulis kakak Hera Juwita, adik Ersa Sabila, dan seluruh keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan dan motivasi selama pembuatan tugas sarjana ini hingga selesai. i

11 Penulis sangat menyadari bahwa dalam laporan hasil penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu saran dan komentar sangat diperlukan sehingga dapat memperbaiki penelitian ini untuk semakin membaik. Terima kasih atas segala bantuan baik secara moril maupun materil, baik secara langsung ataupun tidak langsung kepada semua pihak yang telah berkontribusi dalam penulisan laporan hasil penelitian ini. Medan, Maret 2013 Penulis, ARY FADILA ii

12 ABSTRAK Merancang chassis perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui kekuatan chassis pada mobil Mesin USU pada saat driver berada di dalamnya. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi chassis pada mobil Mesin USU I dan mobil Mesin USU II apabila mengalami pembebanan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu: pemodelan chassis dengan perangkat lunak SolidWorks Premium 2011 dan simulasi elemen hingga menggunakan perangkat lunak Ansys Setelah melakukan simulasi dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 0,96 mm, defleksi ground clearence = 0,6415 mm, tegangan maksimum = 22,563 Mpa, regangan maksimum = 11,65e -5 mm/mm. Dengan beban 700 N terhadap chassis Mesin USU II didapat defleksi maksimum = 3,29 mm, defleksi ground clearence = 2,236 mm, tegangan maksimum = 53,217 Mpa, regangan maksimum = 26,71e -5 mm/mm. Dengan beban 25 kn terhadap chassis Mesin USU I didapat defleksi maksimum = 31,542 mm, defleksi ground clearence = 21,682 mm, tegangan maksimum = 741,59 MPa, regangan maksimum = 371,12e -5 mm/mm. Dengan beban 3,8 kn terhadap chassis Mesin USU II didapat defleksi maksimum = 17,074 mm, defleksi ground clearence = 11,582 mm, tegangan maksimum = 277,64 MPa, regangan maksimum = 139,39e -5 mm/mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah efek dari pembebanan chassis dapat diketahui melalui simulasi dengan perangkat lunak Ansys dengan pemodelan geometry gambar yang benar. Kata kunci: Analisis Simulasi, defleksi maksimum, defleksi ground clearence,tegangan maksimum, regangan maksimum, ANSYS iii

13 ABSTRACT Chassis designing needs to be analized by finite element simulation to get the strength of chassis on Mesin USU car actually the driver is in it. The purpose is how to getting the simulation s effect of chassis on Mesin USU I car and on Mesin USU II car when both are applied loading which using Ansys 14.5 software. The research was carried out in several stages of working: the chassis modeling by software SolidWorks Premium 2011 and finite element simulation using ANSYS 14.5 software. After doing the simulation with 700 N load on chassis Mesin USU I acquired 0,96 mm maximum deflection, 0,6415 mm ground clearence deflection, 22,563 MPa maximum stress, 11,65e -5 mm/mm maximum strain. And 700 N load on chassis Mesin USU II acquired 3,29 mm maximum deflection, 2,236 mm ground clearence deflection, 53,217 MPa maximum stress, 26,71e -5 mm/mm maximum strain. With 25 kn load on chassis Mesin USU I acquired 31,542 mm maximum deflection, 21,682 mm ground clearence deflection, 741,59 MPa maximum stress, 371,12e -5 mm/mm maximum strain. And 3,8 kn load on chassis Mesin USU II acquired 17,074 mm maximum deflection, 11,582 mm ground clearence deflection, 277,64 MPa maximum stress, 139,39e -5 mm/mm maximum strain. The conclusion of this study is the effect of chassis loading can be determined through the simulations with Ansys software during the geometry modeling is correct Keywords: Simulation Analysis, maximum deflection, ground clearance deflection, maximum stress, maximum strain, ANSYS. iv

14 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR NOTASI... xii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Tujuan Umum Tujuan Khusus Manfaat Penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Chassis Jenis Jenis Chassis Ladder Frame Tubular Space Frame Monocoque Backbone Aluminum Chassis Frame Pembebanan pada Chassis Mobil Mesin USU Tegangan Transformasi Tegangan Tegangan utama (principal stress) Tegangan Geser maksimum Regangan Transformasi Regangan Regangan Utama Regangan Geser Maksimum Hukum Hooke v

15 2.7 Momen Inersia Momen Inersia Penampang Hollow Segiempat Momen Inersia Penampang Hollow Lingkaran Defleksi Perangkat Lunak Elemen Hingga Ansys Cara Kerja Ansys BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Pendahuluan Waktu dan Tempat Material yang digunakan Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU I Pemodelan Chassis Mobil Mesin USU II Simulasi Diagram Alir Simulasi Diagram Alir Penelitian BAB 4 HASIL DAN DISKUSI Pendahuluan Hasil Modelling Chassis Mobil Mesin USU Hasil Modelling Chassis Mobil Mesin USU I Hasil Modelling Chassis Mobil Mesin USU II Hasil Simulasi Analisis Struktur Chassis Mobil Mesin USU Defleksi Chassis Mobil Mesin USU dengan Pembebanan 700 N Defleksi Chassis Mobil Mesin USU dengan Beban Variasi Tegangan dan Regangan Chassis Mobil Mesin USU Perbandingan Hasil Analisis Struktur Chassis Mobil Mesin USU I dengan Chassis Mobil Mesin USU II BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi

16 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Jenis Jenis Reaksi Dukungan Tabel 3.1 Karakteristik Material Chassis Besi Struktur (Structural Steel) Tabel 4.1 Distribusi deformasi chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Tabel 4.2 Distribusi deformasi chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Tabel 4.3 Distribusi deformasi chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Tabel 4.4 Distribusi deformasi chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn.. 59 Tabel 4.5 Distribusi tegangan chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Tabel 4.6 Distribusi regangan chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Tabel 4.7 Distribusi tegangan chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Tabel 4.8 Distribusi regangan chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Tabel 4.9 Distribusi tegangan chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Tabel 4.10 Distribusi regangan chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Tabel 4.11 Distribusi tegangan chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn. 71 Tabel 4.12 Distribusi regangan chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn. 72 Tabel 4.13 Perbandingan Hasil Analisis struktur dengan pembebanan 700 N 73 Tabel 4.14 Perbandingan Hasil Analisis struktur dengan variasi beban Tabel 4.3 Perbandingan sifat chassis Mesin USU I dengan chassis Mesin USU II vii

17 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Ladder Frame... 7 Gambar 2.2 Ladder Frame dengan palang X... 8 Gambar 2.3 Tubular Space Frame... 9 Gambar 2.4 Chassis Monocoque Gambar 2.5 Chassis Backbone Gambar 2.6 Aluminium Chassis Frame Gambar 2.7 Chassis mobil Mesin USU Gambar 2.8 Gaya yang diterima chassis Gambar 2.9 Kondisi tegangan pada bidang x-y Gambar 2.10 Kondisi tegangan pada bidang x -y Gambar 2.11 Gambar 2.11 Bidang menerima tegangan (a) segmen yang dipotong; (b) potongan segmen Gambar 2.12 Diagram benda bebas potongan segmen Gambar 2.13 Diagram benda bebas bidang x -y Gambar 2.14 Segitiga trignometri tegangan utama Gambar 2.15 Segitiga trignometri tegangan geser Gambar 2.16 Regangan pada elemen (a) Regangan normal, ; (b) Regangan geser, Gambar 2.17 Segitiga trignometri regangan utama Gambar 2.18 Penampang rangka utama Gambar 2.19 Penampang rollbar Gambar 2.20 Batang yang ditumpu dan diberi beban merata Gambar 2.21 Diagram benda bebas gaya luar Gambar 2.22 Diagram benda bebas gaya gaya dalam viii

18 Gambar 2.23 Diagram momen dan gaya geser Gambar 2.24 Pembebanan pada rangka utama Gambar 2.25 Pembebanan merata batang Gambar 2.26 Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar Gambar 2.27 Diagram benda bebas gaya gaya dalam Gambar 2.28 Material yang disusun dengan node Gambar 3.1 Model besi hollow persegi 30 mm Gambar 3.2 Model besi hollow lingkaran 25 mm Gambar 3.3 Chassis mobil Mesin USU I (a) Rangka utama; (b) Rollbar Gambar 3.4 Model besi hollow persegi 20 mm Gambar 3.5 Model besi hollow lingkaran 16 mm Gambar 3.6 Chassis mobil Mesin USU II (a) rangka utama; (b) rollbar Gambar.3.7 Jendela utama Ansys Gambar 3.8 Jendela engineering data Ansys Gambar 3.9 Geometri yang di input dari solidwork Gambar 3.10 Pemberian meshing Gambar 3.11 Parameter gravitasi Bumi Gambar 3.12 parameter fixed support Gambar 3.13 Parameter Pembebanan Gambar 3.14 Menentukan variabel yang akan ditentukan Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi Ansys Gambar 3.16 Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1 Model struktur chassis Mobil Mesin USU I Gambar 4.2 Model struktur chassis Mobil Mesin USU II Gambar 4.3 Beban merata batang chassis Gambar 4.4 Beban merata penuh batang chassis ix

19 gambar 4.5 Diagram benda bebas gaya luar Gambar 4.6 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Gambar 4.7 Defleksi chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Gambar 4.8 Grafik distribusi deformasi chassis akibat beban 700 N Gambar 4.9 Defleksi ground clearence chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Gambar 4.10 Pandangan kiri chassis Mesin USU I Gambar 4.11 Defleksi ground clearence chassis Mesin USU II dengan beban 700N Gambar 4.12 Pandangan kiri chassis Mesin USU II Gambar 4.13 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Gambar 4.14 Defleksi chassis Mesin USU I dengan beban 3,8 kn Gambar 4.15 Grafik distribusi deformasi chassis akibat beban variasi Gambar 4.16 Defleksi ground clearence chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Gambar 4.17 Pandangan kiri chassis Mesin USU I Gambar 4.18 Defleksi ground clearence chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn Gambar 4.19 Pandangan kiri chassis Mesin USU II Gambar 4.20 Tegangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Gambar 4.21 Regangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 700 N Gambar 4.22 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU I dengan Beban 700 N Gambar 4.23 Tegangan maksimum chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Gambar 4.24 Regangan maksimum chassis Mesin USU II dengan beban x

20 700 N Gambar 4.25 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU II dengan beban 700 N Gambar 4.26 Tegangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Gambar 4.27 Regangan maksimum chassis Mesin USU I dengan beban 25 kn Gambar 4.28 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU I dengan Beban 25 kn Gambar 4.29 Tegangan maksimum chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn Gambar 4.30 Regangan maksimum chassis Mesin USU II dengan beban 3,8 kn Gambar 4.31 Grafik tegangan vs regangan chassis Mesin USU II dengan Beban 3,8 kn Gambar 5.1 Model struktur chassis Mobil Mesin USU I Gambar 5.2 Model struktur chassis Mobil Mesin USU II xi

21 DAFTAR NOTASI = Gaya yang bekerja pada arah sumbu x (N) = Gaya yang bekerja pada arah sumbu y (N) = Gaya geser sepanjang x (N) = Momen sepanjang x (Nm) = Tegangan (N/m 2 ) = Regangan (m/m) E = Modulus elastisitas (N/m 2 ) = Tegangan normal pada arah sumbu x (N) = Tegangan normal pada arah sumbu y (N) = Tegangan normal pada arah sumbu (N/m 2 ) = Luas bidang (m 2 ) = Tegangan geser pada bidang x - y (N/m 2 ) = Tegangan geser pada bidang x -y (N/m 2 ) = Regangan normal pada arah sumbu x = Regangan normal pada arah sumbu y = Regangan normal pada arah sumbu x = Regangan geser pada bidang x - y = Regangan geser pada bidang x -y I = Momen inersia luas (m 4 ) = Momen inersia luas pada arah sumbu x (m 4 ) = Besar lendutan (m) xii