ANALISIS KONSENTRASI TEGANGAN PADA GELAGAR BERLUBANG MENGGUNAKAN PEMODELAN DAN EKSPERIMEN

Transkripsi

1 NLISIS KONSENTRSI TEGNGN PD GELGR BERLUBNG MENGGUNKN PEMODELN DN EKSPERIMEN khmad aizin, Dipl.Ing.HTL, M.T. Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang strak Belum diketahuinya faktor yang menunjukkan huungan antara tegangan yang terjadi hasil analisis menggunakan pemodelan software dengan hasil eksperimen. Seuah gelagar erluang dijepit pada satu ujungnya dan dieri ean pada ujung yang lain, akan terjadi tegangan konsentrasi di sekitar luang. Besarnya tegangan maksimum yang terjadi: Maksimum Kt. Tegangan yang seenarnya dapat diperoleh melalui No min al eksperimen dengan mengukur regangan di sekitar luang, tetapi metode ini memerlukan iaya yang sangat mahal dan ketelitian yang tinggi. Metode lain adalah analisis menggunakan pemodelan software. Metode ini memerlukan ketelitian yang tinggi, guna mendapatkan hasil yang akurat. Untuk itu, perlu dilakukan perandingan antara analisis hasil pemodelan dengan eksperimen. Pada gelagar aluminium lear 5,4 mm, teal,4 mm, diameter luang,3 mm, jarak luang terhadap ean 03,5 mm, dan ean 10 N, diperoleh tegangan maksimum yang ereda antara hasil pemodelan software dengan hasil eksperimen. Tegangan maksimum yang terjadi hasil pemodelan dengan software CTI seesar 17,30 N/mm, sedang hasil eksperimen seesar 19,88 N/mm. Dengan demikian, huungan antara hasil analisis menggunakan pemodelan dengan hasil eksperimen ditunjukkan dengan adanya faktor yang esarnya 1,1. Kata kunci: tegangan konsentrasi, tegangan maksimum, pemodelan, eksperimen. 1. Pendahuluan Setiap komponen yang menerima ean, akan terjadi tegangan yang mengakiatkan deformasi. Deformasi yang terjadi tidak oleh meleihi atas daerah elastsis, supaya tidak terjadi deformasi plastis yang erakiat terjadinya kerusakan. Guna mengetahui tegangan yang terjadi, umumnya dilakukan perhitungan secara teoritis menggunakan rumus klasik. Rumus-rumus yang digunakan, diamil dari eerapa uku dan literatur. Perhitungan yang dihasilkan iasanya hanya teratas pada lokasi tertentu saja. Bentuk penampang komponen yang isa dihitung cukup sederhana, misalnya: segi empat, ujursangkar, ulat dan seagainya. Pada komponen dengan penampang yang leih rumit, tidak eraturan, atau erluang, akan terjadi tegangan konsentrasi, sehingga diperlukan perhitungan khusus. Untuk itu, iasanya digunakan metode lain, yaitu pemodelan software atau eksperimen. Eksperimen, dilakukan melalui pemasangan strain gage pada lokasi-lokasi yang diperkirakan terjadi tegangan yang teresar. Selanjutnya dilakukan pengukuran regangan dengan menggunakan strain indicator. Metode ini memerlukan iaya yang sangat mahal dan ketelitian yang tinggi. dapun metode pemodelan software, dilakukan dengan memuat model menggunakan software dan selanjutnya dilakukan analisis. Metode ini tidak memerlukan iaya mahal, tapi perlu ketelitian guna mendapatkan hasil yang akurat. Untuk itu, guna memeriksa akurasi hasil analisis menggunakan pemodelan software, perlu dilakukan pemeriksaan dengan hasil analisis menggunakan ekperimen. Hasil dari perandingan ini dapat dijadikan seagai faktor pengali atau faktor koreksi.. Tinjauan Pustaka.1 Cantilever Beam Seuah gelagar B, seperti Gamar.1, yang dijepit pada satu sisi () dan dieri ean pada sisi yang lain (B), akan menerima ean geser dan ean momen. Bean geser esarnya sama sepanjang gelagar seesar, sedang ean momen merupakan momen engkok yang esarnya tergantung jarak x. R.L L BD Bidang Geser Bidang Momen Gamar.1: Pemeanan pada Cantilever Beam (ogiel M, 004, halaman B-85). Tegangan yang Terjadi..1 Tegangan Geser Pada pemeanan di atas, terdapat ean yang ekerja dengan arah melintang terhadap penampang yang menahan, diseut ean geser. Bean ini menyeakan tegangan geser, seesar: g (Buku, hal. 47) x B h

2 Dengan: = Tegangan geser yang terjadi (N/mm ) g = Gaya geser () = Luas penampang yang menahan ean (mm ).. Tegangan Bengkok Pada pemeanan di atas juga terdapat ean momen engkok M. Bean ini menyeakan terjadinya tegangan engkok (σ ), yang esarnya: M W (Buku, hal. 44) Dengan: σ = Tegangan Bengkok yeng terjadi (N/mm ) M = Momen Bengkok yang terjadi (Nmm) W = Momen Tahanan Bengkok (mm 3 ).3 Tegangan Konsentrasi Pada komponen yang mempunyai entuk penampang rumit, distriusi tegangan yang terjadi menjadi tidak teratur. Ketidak teraturan dalam distriusi tegangan yang diseakan oleh peruahan entuk penampang tia-tia diseut tegangan konsentrasi. Gamar.: Distriusi Tegangan kiat Peruahan Penampang (Buku 4, hal. 15) aktor entuk tegangan konsentrasi secara teori didefinisikan seagai perandingan antara tegangan maksimum yang terjadi dengan tegangan nominal. Secara matematik dituliskan: K t (Buku 4, hal. 153) No minal Dengan: = aktor Tegangan Konsentrasi Teoritis K t M aksimum = Tegangan Maksimum (N/mm ) Nomin al = Tegangan Nominal (N/mm ) Besarnya faktor tegangan konsentrasi K t tergantung pada jenis material dan entuk geometri dari komponen. Seuah gelagar dengan luang melintang erentuk ellip dan dikenakan ean tarik seperti yang ditunjukkan pada Gamar.3, dapat terlihat dari distriusi tegangan pada titik-titik jauh yang dari luang praktis esarnya seragam, sementara tegangan maksimum muncul di tepi luang. a a a 1 a 1 Maks 5 Nom Maks Nom Maks 3 Nom Gamar.3: Distriusi Tegangan Tegangan maksimum yang terjadi dapat dihitung dengan rumus seagai erikut: a Maks (1 ) (Buku 4, hal. 153) tau faktor tegangan konsentrasi teoritis: a K t (1 ) (Buku 4, hal. 153) Jika a/ esar, ellip akan mendekati terjadinya retak dengan arah melintang dan K t menjadi sangat esar. Jika a/ kecil, ellip akan mendekati terjadinya retak dengan arah memanjang dan K t menjadi kecil. Jika luang erentuk lingkaran, a/ = 1 dan tegangan maksimum menjadi 3 kali tegangan nominalnya. Besarnya faktor tegangan konsentrasi untuk seuah plat dengan lear dan diameterluang d adalah: t Gamar.4: Plat Berluang Pada tael erikut ini ditunjukkan faktor tegangan konsentrasi teoritis. Tael.1 aktor Tegangan Konsentrasi d/ 0,05 0,1 0,15 0,0 0,5 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 K t,83,9,59,50,43,37,3,,,17,13 (Buku 4, hal. 15) 3. Metodologi Penelitian Metodologi penelitian yang digunakan dalam untuk menyelesaikan masalah utama yang akan diteliti adalah: 1. Studi Literatur Kegiatan ini erupa studi literatur tentang CTI, pengukuran regangan, dan peralatan yang digunakan.. Desain Komponen dan Persiapan Komponen Untuk pemodelan: memuat desain komponen gelagar aluminium erluang, menggunakan CTI V5. Desain ini harus sesuai dengan entuk, dimensi, dan material yang digunakan. Untuk eksperimen: mempersiapkan Gelagar luminium yang sudah dipasang strain gage, stain indicator, ean, dan peralatan pengujian. 3. Perhitungan Tegangan dan Pengukuran Regangan Untuk pemodelan: pemasangan tumpuan, pemerian ean, proses penghitungan, dan melihat hasil tegangan (von mises stress). Untuk eksperimen: pemerian ean, pengukuran regangan, dan penghitungan tegangan terjadi. 4. nalisis Hasil Tegangan hasil pemodelan diandingkan dengan eksperimen, guna mendapatkan faktor pengali. 5. Kesimpulan Memuat kesimpulan dari hasil analisis. d

3 ,4 Uraian kegiatan di atas dapat digamarkan dalam diagram alir seperti erikut: Modelling Mulai Studi Literatur Experiment maksimum yang terjadi. Besarnya faktor konsentrasi K t: d,3 0,5, maka K t, 43 5,4 Tegangan maksimum yang terjadi: K,4315,1 39,90(N/mm ) Maksimum t Nominal Desain Komponen Persiapan Komponen Perhitungan Tegangan yang Terjadi Pengukuran Regangan yang Terjadi Revisi Revisi Tidak Pemeriksaan Kesalahan Ya nalisis Hasil Kesimpulan Laporan Pemeriksaan Kesalahan Gamar 3.1: Diagram lir 4. Hasil dan Pemahasan Pada a ini diahas tentang analisis menggunakan pemodelan software dan eksperimen melalui pengukuran regangan. Seelum memahas keduanya, seagai pemanding, akan dilakukan perhitungan secara teoritis leih dulu. 4.1 nalisis secara Teoritis Sketsa pemeanan gelagar B-104 yang dianalisis adalah seagai erikut: =10N 59,5 03,5 Ya Tidak Potongan - : Gamar 4.1: Pemeanan B-104 Besarnya tegangan yang terjadi, dapat dihitung erdasarkan ean yang ekerja. Pada gelagar di atas, ean yang ekerja adalah ean engkok dan ean geser langsung. Mengingat ean engkok yang ekerja jauh leih esar dianding ean geser langsung, maka tegangan yang terjadi dihitung erdasarkan tegangan engkok yang terjadi seperti erikut: M l 1 W h Tegangan yang terjadi pada jarak 03,5mm, adalah: 1003,5 1,4(N / mm ) 1 1 ( 5,4,4,3,4 ) Pada lokasi ini, tegangan yang terjadi seenarnya leih esar dari tegangan nominal 1,4 N/mm. Penamahan tegangan ini akiat adanya tegangan konsentrasi. Besarnya tegangan konsentrasi tergantung pada faktor konsentrasi yang esarnya dapat dilihat pada Tael.1. Berdasarkan perandingan d/, diperoleh faktor konsentrasi K t yang dapat digunakan untuk menghitung tegangan 5,4 Gamar 4.: Tegangan Nominal dan Maksimum Tegangan yang terjadi pada jarak 59,5 mm adalah: l 1059,5 14,97(N / mm ) 1 1 h 5,4,4 4. nalisis melalui Pemodelan nalisis ini dilakukan dengan menggunakan software CTI. Gelagar yang dianalisis adalah gelagar B-104, dengan spesifikasi seagai erikut: a. Dimensi Gamar 4.3: Dimensi Gelagar B-104. Material: luminium c. Bean: 1,0 N sampai dengan 10,0 N d. Lokasi yang dianalisis dapat dilihat pada Tael 4.1. Tael 4.1 Lokasi Titik yang Dianalisis Lokasi Jarak dari Bean Jarak dari Garis Sumu Luang 03,5 mm 0 mm Titik 1 03,5 mm 3,58 mm Titik 03,5 mm 5,01 mm Titik 3 03,5 mm 8,48 mm Titik 4 59,5 mm 0 mm 4..1 Pemuatan Model Berdasarkan spesifikasi dan data diatas, dapat dilakukan pemuatan model menggunakan software CTI. 4.. Buka Menu nalisis Setelah Gelagar B-104 diuat dan didefinisikan materialnya, dapat dilakukan analisis dengan langkah seagai erikut: Startnalysis&Simulation, kemudian Generative Structure nalysisstatic nalysis 4..3 Pemasangan Tumpuan Jenis dan lokasi tumpuan harus sesuai dengan kondisi seenarnya Pemerian Bean Jenis, esar, arah, dan lokasi ean harus sesuai dengan kondisi seenarnya. Bean yang

4 ekerja adalah gaya seesar 10 N, arahnya vertikal ke awah sesuai dengan arah sumu Z Proses Penghitungan Compute ll OK 4.. Melihat Hasil Jika tidak ada kesalahan dalam memasang tumpuan dan ean, proses penghitungan dapat erhasil dengan sukses. Sementara ini, ukuran mesh-nya sesuai dengan kondisi default. Besarnya tegangan yang terjadi adalah: secara lokal. Peruahan ini juga mengakiatkan proses penghitungan yang leih lama, sehingga harus dipertimangkan seaik mungkin. Setelah dilakukan refine local mesh pada permukaan dalam luang dan perhitungan ulang, diperoleh element quality seperti pada tael 4.3. Tael 4.3 Element Quality setelah Refine Local Mesh Gamar 4.4: Tegangan yang Terjadi 4..7 Memeriksa Hasil Dalam kondisi default, dapat dilakukan pemeriksaan hasil analisis, apakah hasilnya sudah akurat atau elum. kurasi hasil analisis ini sangat diperlukan, guna menjamin tingkat akurasi dari data yang diperoleh. Pemeriksaan hasil ini dapat dilihat pada analysis report Element Quality Element Quality menunjukkan tingkat kualitas hasil analisis. nalisis yang aik/ideal, jika seluruh kriteria (distortion, stretch, length ratio) yang ada ditunjukkan dengan nilai 100 % aik (good) atau mendekati 100 %. paila pada prosentase yang aik ditunjukkan dengan nilai yang sangat rendah, maka hal ini menunjukkan ahwa hasil analisisnya anyak terjadi pendekatan. Pendekatan terseut terkait dengan ukuran mesh, misalnya pada entuk lingkaran yang seharusnya didekati dengan segi anyak, tetapi hanya didekati dengan segi enam, sehingga hasil analisisnya kurang akurat. Memang pada sisi lain, proses perhitungannya leih cepat dan file analisis yang terentuk relatif kecil. Tael 4. Element Quality Pada Tael 4., kolom kriteria distortion yang aik nilainya seesar 35%, sehingga perlu dilakukan peraikan melalui peruahan ukuran mesh. Peruahan ini dapat dilakukan secara gloal atau Pada Tael 4.3, kriteria distortion yang aik mencapai 91,57 %, apaila dilakukan refine local mesh lagi, peningkatan prosentasenya tidak signifikan, sehingga tidak perlu dilakukan peraikan. Pada kondisi ini, hasil analisis sudah dapat dianggap akurat Hasil Setelah Refine Mesh Setelah diperoleh element quality yang aik, dapat dilihat hasil analisisnya seperti erikut: Gamar 4.5: Tegangan yang Terjadi setelah Refine Hasil diatas, apaila dipotong melintang tepat pada lokasi sumu luang, erjarak 03,5 mm dari lokasi ean, diperoleh penampang seperti erikut: Gamar 4.: Tegangan yang Terjadi pada Luang paila dilihat pada lokasi titik yang dianalisis, diperoleh esarnya tegangan seperti tael erikut: Tael 4.4 Lokasi Titik yang Dianalisis Lokasi Jarak dari Garis Sumu Tegangan yang Terjadi Titik 1 3,58 mm 17,3 N/mm Titik 5,01 mm 11, N/mm Titik 3 8,48 mm 10,7 N/mm Titik 4 0 mm 8,8 N/mm Untuk mendapatkan tegangan yang terjadi pada titik 4, harus dipotong melintang tepat pada lokasi yang erjarak 59,5 mm dari lokasi ean dan hasilnya, diperoleh penampang seperti erikut:

5 Gamar 4.7: Tegangan yang Terjadi pada Titik 4 Guna mendapatkan tegangan yang terjadi akiat ean yang lain (1,0 N sampai dengan 9,0 N) dapat dilakukan melalui metode yang sama. Berdasarkan data hasil analisis melalui pemodelan dengan software CTI, dapat dilihat pada Tael 4.5. Tael 4.5 Tegangan yang Terjadi Hasil Pemodelan No. Bean (N) σtitik1 (N/mm ) σtitik (N/mm ) σtitik3 (N/mm ) σtitik4 (N/mm ) 1 1 1,73 1,1 1,07 0,88 3,4,4,14 1, ,19 3,3 3,1,4 4 4,9 4,48 4,8 3, ,5 5,0 5,35 4,40 10,38,7,4 5, ,11 7,84 7,49, ,84 8,9 8,5 7, ,57 10,08 9,3 7, ,30 11,0 10,70 8, nalisis secara Eksperimen nalisis ini dilakukan dengan cara mengukur regangan yang terjadi pada lokasi yang diinginkan. Untuk itu, pada setiap lokasi yang diinginkan terseut dipasang seuah pengukur regangan (strain gage). Pada gelagar yang dianalisis, B-104, ada 4 (empat) lokasi yang akan diukur regangannya. Pada lokasi terseut sudah terpasang 4 (empat) uah strain gage seperti pada gamar erikut: Gamar 4.8: Lokasi Strain Gage pada Gelagar B-104 Lokasi strain gage ditinjau dari jarak terhadap ean dapat dilihat pada Tael 4.. Tael 4. Lokasi Strain Gage pada Gelagar B-104 Lokasi Jarak dari Bean Jarak dari Garis Sumu Strain Gage 1 03,5 (mm) 3,58 (mm) Strain Gage 03,5 (mm) 5,01 (mm) Strain Gage 3 03,5 (mm) 8,48 (mm) Strain Gage 4 59,5 (mm) 0 (mm) Hasil pengukuran regangan pada strain gage terseut, selanjutnya diganakan untuk melakukan perhitungan tegangan yang terjadi erdasarkan hukum Hook. Hal penting yang harus dilakukan dalam analisis menggunakan metode eksperimen adalah proses pemeanan tidak oleh meleihi atas elastis. Dengan kata lain, ahwa dalam proses pemeanan, tegangan yang terjadi tidak oleh meleihi atas proporsional, jika tidak demikian hukum Hook tidak erlaku Tegangan yang Terjadi Hasil Pengukuran Berdasarkan data hasil pengukuran, dapat dihitung peruahan regangan secara rata-rata pada strain gage 1 (Δε1), strain gage (Δε), strain gage 3 (Δε3), dan strain gage 4 (Δε4). Selanjutnya dapat dihitung esarnya tegangan yang terjadi erdasarkan esarnya peruahan regangan hasil pengukuran rata-rata. Hasil perhitungan tegangan yang terjadi ini, dapat dilihat pada Tael Tael 4.13 Tegangan yang Terjadi Hasil Pengukuran No. Bean (N) Δε1 Δε Δε3 Δε4 σ1 (N/mm ) σ (N/mm ) σ3 (N/mm ) σ4 (N/mm ) ,00 0,00 0,00 0, ,9 1,8 1,4 1, ,87 3,31,85, ,90 4,95 4,3 4, ,8,58 5,8 5, ,89 8,17 7,30, ,88 9,75 8,8 8, ,8 11,43 10,34 9, ,87 13,09 11,81 10, ,87 14,8 13,3 11, ,88 1, 14,7 13, Pengolahan Hasil Hasil perhitungan tegangan yang terjadi kedua metode dapat dilihat pada Tael Tael 4.14 Perandingan Tegangan yang Terjadi No. Bean Pemodelan Eksperimen (N) σtitik1 σtitik σtitik3 σtitik4 σ1 σ σ3 σ4 (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) (N/mm ) 1 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1 1,73 1,1 1,07 0,88 1,9 1,8 1,4 1,40 3 3,4,4,14 1,7 3,87 3,31,85, ,19 3,3 3,1,4 5,90 4,95 4,3 4,11 5 4,9 4,48 4,8 3,5 7,8,58 5,8 5,39 5 8,5 5,0 5,35 4,40 9,89 8,17 7,30, ,38,7,4 5,8 11,88 9,75 8,8 8, ,11 7,84 7,49,1 13,8 11,43 10,34 9, ,84 8,9 8,5 7,04 15,87 13,09 11,81 10, ,57 10,08 9,3 7,9 17,87 14,8 13,3 11, ,30 11,0 10,70 8,80 19,88 1, 14,7 13,5 Selanjutnya hasil perhitungan kedua metode di atas dapat digamar dalam seuah grafik. Gamar 4.9: Grafik Tegangan pada Lokasi 1

6 Gamar 4.10: Grafik Tegangan pada Lokasi Gamar 4.11: Grafik Tegangan pada Lokasi 3 Gamar 4.1: Grafik Tegangan pada Lokasi 4 Berdasarkan hasil perhitungan kedua metode diatas, dapat ditentukan esarnya faktor koreksi, yang menunjukkan huungan tegangan yang terjadi hasil eksperimen terhadap pemodelan. Tael 5.15 aktor Koreksi No. Bean (N) Lokasi Titik 1 Titik Titik 3 Titik ,1 1,5 1,3 1, 1,1 1,5 1,3 1, 3 3 1,1 1,5 1,3 1, 4 4 1,1 1,5 1,4 1, ,1 1,5 1,4 1,8 1,1 1,5 1,4 1, ,1 1,5 1,4 1, ,1 1,5 1,4 1, ,1 1,5 1,4 1, ,1 1,5 1,4 1,5 Rata-rata 1,1 1,5 1,4 1, 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis seuah gelagar aluminium erluang B-104, dengan sistem pemeanan cantilever, menggunakan metode pemodelan dan ekperimen, dapat disimpulkan seagai erikut: 1. Tegangan yang terjadi pada titik 1, lokasinya erjarak 03,5 mm dari ean dan 3,58 mm dari garis sumu, erdasarkan metode pemodelan software CTI seesar 17,30 N/mm ;. Tegangan yang terjadi pada strain gage 1, terpasang pada lokasi 03,5 mm dari ean dan 3,58 mm dari garis sumu, erdasarkan metode eksperimen melalui pengukuran regangan seesar 19,88 N/mm ; 3. aktor ketelitian yang merupakan faktor koreksi terhadap hasil analisis mengunakan pemodelan adalah seesar 1,1.. Saran 1. Dalam melakukan perandingan hasil analisis menggunakan pemodelan dan eksperimen, harus dilakukan pada lokasi yang sama. Pada metode pemodelan, dapat dilakukan dengan mendeteksi langsung pada hasil analisis atau melalui sistem koordinat, sedang pada metode eksperimen, hasil analisis dapat langsung dideteksi pada regangan yang terukur pada strain gage.. Pada metode eksperimen, ketelitian dalam melakukan pengukuran sangat menentukan dan kehati-hatian daalm mencatat data peruahan regangan merupakan faktor yang menentukan keerhasilan penelitian ini. 3. Mengingat peralatan yang digunakan tampilan datanya masih dalam entuk analog dengan ketelitian (mm/μm), maka ketelitian data yang dihasilkan tidak seperti peralatan yang tampilan datanya digital. Daftar Pustaka stakhov Viktor P, (1999), Metal Cutting Mechanics, CRC Press, Washington DC Bouché Ch, Leitner und Saas, (1974), Duel Taschenuch für den Maschinenau, Springer-Verlag, Berlin, Deutschland. ogiel M, (004), The Handook of Mechanical Engineering, Research & Education ssociation, New Jersey. Khurmi RS, Gupta JK, (1984), Text Book of Machine Design, Eurasia Pulishing House, New Delhi. Matek W, Muhs D und Wittel H, (1987), Roloff/Matek Maschinenelemente, redr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, Deutschland. Niemann G, Budiman nton Dipl.Ing., Priamodo Bamang, (199), Elemen Mesin I edisi Kedua, Erlangga, Jakarta.