SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI T E S I S. Oleh M. RAFIQ YANHAR /TM

Transkripsi

1 SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI T E S I S Oleh M. RAFIQ YANHAR 758/TM S E K O L A H PA S C A S A R J A N A SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 8 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

2 SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI T E S I S Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Teknik Mesin pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara Oleh M. RAFIQ YANHAR 758/TM SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 8 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

3 Judul Tesis : SIMULASI TEGANGAN PADA HELM INDUSTRI DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP YANG DIKENAI BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI Nama Mahasiswa : M. Rafiq Yanhar Nomor Pokok : 758 Program Studi : Teknik Mesin Menetujui Komisi Pembimbing (Prof. Dr. Ir. Bustami Sam, MSME) Ketua (Prof. Dr. Ir. Samsul Rial, M.Eng) Anggota (Ir. Tugiman, MT) Anggota Ketua Program Studi Direktur (Prof. Dr. Ir. Bustami Sam, MSME) (Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B, MSc) Tanggal lulus : November 8 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

4 Telah diuji pada Tanggal : November 8 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Prof. Dr. Ir. Bustami Sam, MSME :. Prof. Dr. Ir. Samsul Rial, M.Eng. Ir. Tugiman, MT. Dr. Ing. Ir. Ikhwansah Isranuri. Ir. Sahrul Abda, M.Sc Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

5 ABSTRAK Penelitian ini mengetengahkan tentang verifikasi dengan menggunakan simulasi komputer dari pengujian helm industri dengan bahan komposit polimer GFRP ang mendapat beban impak kecepatan tinggi. Helm terbuat dari penggabungan polester resin 57 BQTN EX dan dua lapisan serat E-Glass jenis Chop Strand Mat. Pemodelan helm akan dibuat sesuai dengan dimensi aslina dengan menggunakan software Autocad sedangkan distribusi tegangan ang terjadi pada helm akan dianalisa dengan software MSC NASTRAN.5. Data- data ang diperlukan untuk simulasi ini telah diperoleh dari peneliti sebelumna aitu : pengukuran massa jenis helm, uji statik untuk memperoleh sifat mekanik helm (dengan menggunakan alat uji servopulser), dan uji impak untuk mengetahui besar tegangan insiden ang masuk ke dalam helm serta untuk memperoleh tegangan ang terjadi pada helm (dengan menggunakan alat uji KOMPAK). Dengan beban impak sebesar,5 MPa (ID ) dan,56 MPa (ID ) maka selisih tegangan ang terjadi antara hasil eksperimen dan simulasi pada strain gage 5 mm dari titik impak adalah,85 %, sedangkan untuk strain gage mm dari titik impak selisih tegangan adalah,55 %. Simulasi dengan berbagai waktu impak ang berbeda juga memberi informasi bahwa semakin kecil waktu impak maka tegangan ang terjadi akan semakin besar dan semakin besar waktu impak maka tegangan ang terjadi akan semakin kecil. Simulasi juga menunjukkan bahwa semakin jauh dari titik impak maka tegangan ang terjadi akan semakin mengecil dan semakin besar harga modulus elastisitas dari material helm semakin besar pula tegangan ang terjadi, dan sebalikna semakin kecil harga modulus elastisitas semakin kecil tegangan ang terjadi. Kata-kata kunci : Simulasi, Helm Komposit GFRP, Beban Impak, Tegangan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

6 ABSTRACT This stud focuses on a verification using computer simulation of the test of helmet industr made of GFRP polmer composite with high speed load impact. The helmet was made from the combination of polester resin57 BQTN EX and a two-laer E-Glass fiber of Chop Strand Mat tpe.the helmet model will be made according to original dimension b using Autocad software while the distribution of the stress occurs on the helmet was analed using MSC NASTRAN.5 software. The data needed for the simulation were obtained through previous researcher such as measuring the mass tpe of the helmet, statistical test to obtain the mechanical characteristic of the helmet (using servopulser testing device), and impact test to find out the amount of incidental stress that gets into the helmet and the stress occured on the helmet (using KOMPAK testing device). With the impact load of,5 MPa (ID ) and,56 MPa (ID ), the difference of the stress occured between the result of eperiment and simulation at strain gage of 5 mm from the impact point is,85 %, while for strain gage of mm from impact point, the stress difference is,55 %. Simulation with various different time of impact also give the information that the smaller time of impact is the bigger the stress will be and the bigger the time of impact is the smaller the stress will be. Simulation also shows that the farther from impact point is the smaller the stress will be and the bigger the elastic modulus of helmet is the bigger the stress will be, conversel the smaller the elastic modulus is the smaller the stress will be. Keword : Simulation, GFRP Composite Helmet, Impact Load, Stress Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

7 KATA PENGANTAR Puji sukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia ang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menelesaikan tesis ini dengan judul Simulasi Tegangan Pada Helm Industri Dari Bahan Komposit GFRP Yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi. Penulisan ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari komisi pembimbing dan tulisan ini merupakan sarat ang harus dipenuhi setiap mahasiswa Magister Teknik Mesin SPs USU untuk melaksanakan sidang tesis. Pada kesempatan ini penulis menampaikan rasa terima kasih dan penghargaan ang sebesar-besarna kepada:. Prof. Dr. Bustami Sam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir.Samsul Rial,M.Eng (anggota), dan Ir. Tugiman MT (anggota) ang telah banak memberi petunjuk dan arahan sehingga tulisan ini dapat diselesaikan.. Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana, Prof. Dr. Bustami Sam, MSME dan Dr. Ing.Ikhwansah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU ang telah memberikan kesempatan untuk mengikuti pendidikan pada Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU.. Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin SPs-USU ang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis mengikuti pendidikan di Program Magister.. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususna rekan-rekan ang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan dan kakanda alumni MTM ang telah banak memberikan masukan dan arahan. 5. Kedua orang tua Aahanda (almarhum), Ibunda, abang, kakak, dan istri tercinta ang telah banak memberikan motivasi kepada penulis. 6. Fakultas Teknik dan Jurusan Teknik Mesin UISU ang telah memberikan banak dukungan moril. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

8 Penulis menadari masih banak ketidaksempurnaan dari penulisan ini, oleh karenana kritik dan saran demi perbaikan ang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Medan, Oktober 8 Peneliti, M. Rafiq Yanhar Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

9 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... RIWAYAT HIDUP... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... DAFTAR ISTILAH... LAMBANG YUNANI... i ii iii v vii i iv v vi BAB PENDAHULUAN..... Latar Belakang..... Perumusan Masalah..... Tujuan Penelitian..... Manfaat Penelitian... 5 BAB TINJAUAN PUSTAKA Standarisasi Helm Industri Komposit Pengukuran Tegangan Pada Helm..... Simulasi Komputer Kerangka Konsep... BAB METODE PENELITIAN..... Tempat dan Waktu..... Bahan, Peralatan, dan Metode..... Rancangan Penelitian..... Pelaksanaan Penelitian Variabel ang Diamati... BAB HASIL DAN PEMBAHASAN.... Simulasi Helm Dan Perbandinganna Dengan Hasil Eksperimen.... Tegangan pada titik-titik ang tidak dipasang strain gage Pembebanan dengan waktu impak ang berbeda Pembebanan Dengan Modulus Elastisitas Yang Berbeda Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

10 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran... 7 DAFTAR PUSTAKA... 7 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

11 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman. Sifat mekanik unsaturated polester resin 57 BQTN EX.... Sifat mekanik serat jenis E-glass... Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

12 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman. Komponen helm industri Model (cara) kegagalan pada komposit diperkuat serat ang tidak searah Mikro kerusakan laminasi pada matriks, dan terjadi delaminasi pada lapisan matriks Mikro kerusakan laminasi, terjadi kerusakan serat dan matriks serta delaminasi antara lapisan serat dan matriks. 8.5 Stress whitening one kepatahan T/F 85 graphite/epo (propagasi retak dari kiri ke kanan) Susunan serat woven roving....7 Susunan serat chop strand mat....8 Set-up alat uji KOMPAK..9 Perilaku Gelombang Longitudinal Susunan Batang Uji Perilaku Batang Setelah Terjadi Impak Perilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen.... Diagram Lagrange (pakai spesimen).... Elemen d d d....5 Bentuk elemen solid tetrahedral Impak depan dan samping pada helm sepeda motor....7 Tegangan ang terjadi pada otak manusia akibat beban impak....8 Kerangka konsep penelitian.... Helm komposit.... Tipikal grafik tegangan impak dan tegangan insiden Set-up pengukuran respon helm dengan uniaial gage arah-x (σ ) (b= 5 mm dan mm dari titik impak).. 6 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

13 . Set-up pengukuran respon helm dengan uniaial gage arah-y (σ ) (b= 5 mm dan mm dari titik impak) Kotak dialog ukuran elemen Kotak dialog sifat mekanik Kotak dialog constraint Kotak dialog model fungsi Kotak dialog beban impak.... Kotak dialog analisa.... Set-up uji helm.... Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian.... Dimensi helm.... Model helm setelah dibagi dua Kotak dialog jenis material Kotak dialog sifat mekanik material Kotak dialog material helm komposit Kotak dialog mesh Helm setelah di mesh Beban impak dalam arah sumbu Y Kotak dialog constraint Helm setelah diconstraint Tegangan insiden dan waktu impak hasil eksperimen Kotak dialog pemilihan elemen Kotak dialog beban impak dalam bentuk pressure Kotak dialog arah pembebanan Tegangan insiden vs waktu impak hasil eksperimen Kotak dialog model fungsi... 5 Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

14 .7 Kurva modifikasi tegangan insiden untuk simulasi Kotak dialog beban dinamis Kotak dialog analisa Distribusi tegangan pada helm Grafik tegangan ID mm (Beban impak,5 MPa) - St gage 5 mm Grafik tegangan ID mm (Beban impak,56 MPa) St gage 5 mm Grafik tegangan hasil eksperimen - St. Gage 5 mm Grafik tegangan ID mm (Beban impak,5 MPa) St. Gage mm Grafik tegangan ID mm (Beban impak,56 MPa) St. Gage mm Grafik tegangan hasil eksperimen - St.Gage mm Tegangan pada tiga titik ang tidak dipasang strain gage Grafik tegangan pada titik a Grafik tegangan pada titik b Grafik tegangan pada titik c Grafik tegangan dengan waktu impak us Grafik tegangan dengan waktu impak 5 us Grafik tegangan dengan waktu impak us Grafik tegangan dengan waktu impak us Grafik tegangan dengan waktu impak 6 us Grafik tegangan dengan harga E 66,89 MPa Grafik tegangan dengan harga E 668,9 MPa Grafik tegangan dengan harga E 6689 MPa Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

15 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman Software MSC Nastran Technical Data Sheet Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

16 DAFTAR ISTILAH Notasi Satuan = Luas penampang batang m = Luas penampang batang m = Luas penampang batang m C, = Kecepatan rambat gelombang dalam batang m/det C, = Kecepatan rambat gelombang dalam batang m/det C, = Kecepatan rambat gelombang dalam batang m/det C I = Kecepatan rambat gelombang dalam batang impak m/det C II = Kecepatan rambat gelombang dalam batang penerus m/det = Kecepatan rambat gelombang dalam spesimen m/det C III C c d = Kecepatan rambat gelombang pada spesimen m/det = Kecepatan gelombang longitudinal m/det = Perubahan panjang batang uji Mm C L Dl E = Modulus Young material GPa E k = Energi kinetik Joule E m = Modulus Young MPa E i E k = Modulus impak MPa = Energi kinetik mula-mula Joule E S = Energi regangan Joule ES = Energi regangan mula-mula Joule m = Massa benda mula Kg N = Nilai data ang diperoleh setelah pengimpakan P = Gaa tarik pada komposit N S = Standar deviasi t = Waktu rambat gelombang det t = Waktu rambat gelombang antara strain gage a dan b det t L = Waktu rambat gelombang longitudinal det t I V V = Waktu rambat gelombang dalam batang impak m/det = Kecepatan partikel mula-mula m/det = Tegangan setelah pengimpakan Volt = Kecepatan batang sebelum tumbukan m/det V I = Kecepatan partikel masuk m/det V R = Kecepatan partikel ang direfleksikan m/det Vs = Tegangan pengujian Volt V T = Kecepatan partikel ang ditransmisikan m/det Δm SC SC = = = Perubahan massa Semiconductor I Semiconductor II Kg LAMBANG YUNANI Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

17 α = Faktor transmisi ασ = Tegangan ang ditransmisikan MPa β = Faktor refleksi βσ = Tegangan ang direfleksikan MPa ε = Regangan η = Faktor gage ρ = Rapat jenis material batang kg/m ρ = Rapat jenis material batang kg/m ρ = Rapat jenis material batang kg/m σ = Tegangan pada batang MPa σ = Tegangan pada batang MPa σ I = Tegangan ang masuk MPa σ R = Tegangan ang direfleksikan MPa σ T = Tegangan ang ditransmisikan MPa σ i = Tegangan tarik impak Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

18 BAB PENDAHULUAN. Latar Belakang Tidak dapat dibantah bahwa penelitianlah ang membuat manusia dapat hidup laak selama ini. Penemuan-penemuan baru di bidang komunikasi, transportasi, kedokteran, dan lain-lain semuana berawal dari keingintahuan ang besar dan pemikiran ang terus menerus sehingga akhirna membuahkan banak kemudahan pada manusia sekarang ini. Namun sebagian penelitian tersebut ada ang membutuhkan biaa ang besar sehingga para peneliti mulai berfikir untuk membuat simulasina dengan komputer. Penelitian untuk menelidiki perambatan gempa dan kerusakan ang ditimbulkan pada suatu daerah misalna, akan lebih murah dilakukan dengan simulasi komputer dibandingkan dengan percobaan ang sebenarna di lapangan. Simulasi dapat dijadikan sebagai klarifikasi dari eksperimen namun bisa juga untuk memprediksi apa ang bakal terjadi pada suatu objek, kita hana perlu merubah beberapa variabel ang telah tersedia pada software dan hasilna bisa segera diketahui untuk dibandingkan dengan hasil eksperimen. Dalam penelitian ini simulasi ang akan dikembangkan adalah simulasi tentang helm industri ang mendapat beban impak kecepatan tinggi. Helm industri dibuat sebagai alat pelindung kepala untuk mengurangi angka kecelakaan kerja dalam dunia industri, khususna ang bergerak dalam bidang jasa konstruksi dan produksi. Kepala merupakan bagian ang paling vital dari tubuh manusia, sebab di kepala terdapat beberapa indera manusia dan otak ang merupakan pusat berfikir, pusat keseimbangan, dan pusat dari segala aktifitas manusia. Penelitian tentang tegangan toleransi ang diperbolehkan masuk ke tengkorak ketika terjadi impak telah dipublikasikan, para peneliti tersebut melakukan penelidikan secara pemodelan elemen hingga atau pengolahan data-data anatomi kepala manusia. Hal ini disebabkan ketidakmungkinan kepala manusia langsung dijadikan objek penelitian. Yusuke Miaaki, et al [] menelidiki pengaruh bentuk kepala manusia terhadap kerusakan otak ang akan terjadi akibat beban impak dengan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

19 memodelkan 5 bentuk kepala ang dianalisa dengan menggunakan MDS (Multi Dimensional Scaling). Jhonson, E. A. C., et al [] menelidiki respon tekanan ang terjadi pada otak manusia akibat impak kecepatan rendah dan tinggi dengan pemodelan elemen hingga menggunakan software LS Dna D. Hasi penelitian Deck C., et al [] menunjukkan tegangan tarik, tegangan tekan, maupun tegangan geser Von Misses ang terjadi pada otak masih dalam batas-batas ang diiinkan. Sarkar S., et al [] menelidiki respon pada kepala manusia akibat beban statik dan dinamik dengan pemodelan elemen hingga. Walaupun sudah jelas bahwa fungsi helm sebagai pelindung kepala namun di beberapa industri di Indonesia masih juga digunakan helm ang tidak memenuhi sarat-sarat keselamatan kerja, artina helm tersebut tidak standard dan belum bisa melindungi pekerja dari benturan benda ang jatuh dari ketinggian tertentu. Dan bagi para pekerja sendiri walaupun sudah menadari pentingna helm sebagai pelindung kepala namun masih banak ang tidak memakai helm ketika sedang melaksanakan tugasna. Berdasarkan surve ang telah dilakukan para peneliti sebelumna kurangna minat memakai helm disebabkan oleh helm ang digunakan terasa tidak naman, ang mana hal ini disebabkan oleh beberapa hal aitu : a. Helm terasa panas karena kurangna ventilasi pada helm ang menebabkan kepala mudah berkeringat dan menimbulkan gatal-gatal pada kulit kepala. b. Helm terasa berat sehingga menebabkan leher menjadi pegal. c. Ukuran helm ang kurang sesuai dengan bentuk kepala sehingga terasa tidak naman ketika dipakai. Dengan pertimbangan-pertimbangan di atas maka dibuatlah helm standard dari bahan komposit ang lebih kuat, lebih naman dan lebih ringan sehingga diharapkan minat para pekerja untuk memakai helm pada saat bertugas menjadi lebih tinggi. Helm dibentuk dari bahan komposit polimer GFRP ang terdiri dari polester resin 57 BQTN EX sebagai matriks dan dua lapis serat E-Glass jenis chop strand mat sebagai penguat. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

20 Simulasi helm industri ini merupakan klarifikasi dari hasil pengujian secara eksperimental ang telah dilakukan oleh peneliti sebelumna aitu Hasrin [5]. Dengan pertimbangan bahwa simulasi memerlukan biaa ang jauh lebih kecil, tegangan ang terjadi pada seluruh permukaan helm dapat diketahui, juga dengan pertimbangan bahwa helm standard dari bahan komposit polimer GFRP belum dibuat simulasina maka peneliti merasa perlu untuk membuat simulasi dari helm standard berbahan komposit tersebut. Penulis memperkirakan di masa ang akan datang metode simulasi akan memberikan kontribusi ang lebih besar lagi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.. Perumusan Masalah Permasalahan utama dalam pengujian helm industri di laboratorium adalah distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm sulit untuk dapat diperoleh. Tegangan hana terbaca pada lokasi ang dipasangi strain gage. Sebalikna dengan simulasi komputer distribusi tegangan dapat dengan jelas terlihat pada seluruh permukaan helm, sehingga untuk menelesaikan permasalahan di atas penulis merasa perlu untuk membuat simulasina.. Tujuan Penelitian.. Tujuan Umum Tujuan umum dari penelitian ini adalah memperoleh hasil simulasi tegangan pada helm industri dari bahan komposit GFRP ang mendapat beban impak kecepatan tinggi... Tujuan Khusus. Untuk mengetahui distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm.. Untuk mengetahui lokasi dan tegangan terbesar ang terjadi pada helm.. Untuk mengetahui selisih tegangan antara eksperimen dan simulasi. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

21 . Untuk mengetahui perbedaan tegangan bila terjadi perubahan pada waktu impak. 5. Untuk mengetahui perbedaan tegangan bila modulus elastisitas dirubah.. Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian ini adalah :. Menginformasikan salah satu peran simulasi komputer aitu sebagai pembanding dari sebuah eksperimen.. Memberi masukan pada pemerintah untuk mempertimbangkan simulasi komputer sebagai pembanding dari pengujian helm industri di laboratorium. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

22 BAB TINJAUAN PUSTAKA.. Standarisasi Helm Industri... Standarisasi Secara umum helm ang digunakan oleh pekerja sebagai alat pelindung diri pada Negaranegara maju sudah mempunai standard tertentu sesuai dengan kebijakan dan peraturan ang ditetapkan oleh pemerintahna. Beberapa standard helm ang dikenal luas dan banak menjadi referensi, ialah: ANSI Z [6], JIS T8-977 [7], dan SNI [8]... Komponen helm Komponen helm industri terdiri atas beberapa bagian. Secara umum bagian-bagian tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar. Komponen helm industri Keterangan gambar:. Tempurung. Jaring. Pelindung sinar matahari. Peredam benturan 5. Tali cincin 6. Bantalan kepala 7. Tali dagu.. Komposit. Mekanisme kegagalan komposit Komposit merupakan komponen rekaasa skala makro (engineering macroscale), ang tersusun dari kombinasi dua atau lebih material ang menghasilkan kemampuan (properties) ang lebih baik daripada bila komponen itu berdiri sendiri. Kelakuan komposit adalah sangat kompleks Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

23 karena sangat tergantung pada bagaimana masing-masing komponen material dikombinasikan. Kemampuan mekanis secara keseluruhan dapat saja menjadi sangat berbeda walaupun komponen penusunna sama, tetapi proses pembuatanna berbeda. Dikarenakan penggunaan komposit ang luas dalam bidang kehidupan, maka kerusakan kecil ang terjadi padana seperti kerusakan serat (fiber breaking), keretakan matriks (matri cracking), berpisahna lapisan antara (interface debonding), delaminasi (delamination), dan lain-lain; ang mana mekanisme ini tidak boleh diabaikan didalam memperhitungkan kemampuanna [9]. Pemeriksaan fraktografi merupakan suatu cara ang efektif dan berguna dalam memeriksa kerusakan diatas (ASTM E-, ). Tidak sama seperti metal dimana kegagalan mungkin didominasi oleh pertumbuhan dari retakan makro (macrocracks), komposit diperkuat serat (FRP) gagal didalam sebuah cara (mode) komulatif ang dapat melibatkan sebuah kombinasi dari mode ang berbeda seperti kerusakan serat (fiber breaking), keretakan matriks (matri cracking) dan berpisahna serat dan matriks (matriks/fiber debonding), seperti ditunjukkan pada Gambar... Gambar. Model (cara) kegagalan pada komposit diperkuat serat ang tidak searah Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

24 Gambar. Mikro kerusakan laminasi pada matriks, dan terjadi delaminasi pada lapisan matriks Gambar. Mikro kerusakan laminasi, terjadi kerusakan serat dan matriks serta delaminasi antara lapisan serat dan matriks Gambar.5 Stress whitening one kepatahan T/F 85 graphite/epo (propagasi retak dari kiri ke kanan) Masing masing cara (mode) dapat saja terjadi pada waktu ang berlainan dan juga dapat terjadi secara bersamaan pada lokasi kegagalan. Pada Gambar. hingga.5 diperlihatkan gambar mikro (micrograph) dari permukaan interface dari material laminasi ang mengalami kegagalan, serta digambarkan mekanisme retak maupun arah progasi dari keretakan tersebut.... Bahan serat Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

25 Bahan serat ang umum dipakai sebagai penguat pada komposit sangat bervariasi, dimana penggunaanna tergantung pada jenis operasional dari komposit tersebut. Serat serat ang umum di pakai antara lain adalah [] : a. serat Karbon b. serat Kevlar c. serat S-glass d. serat E-glass, dll. Jenis susunan arah serat ang digunakan ada dua jenis aitu: a. Woven Roving (WR) Woven roving (Gambar.6) mempunai bentuk seperti anaman tikar, serat gelas ang teranam dibuat saling bertindih secara selang-seling kearah vertikal dan horisontal ( dan 9 ). Kumpulan anaman adalah seperti tali; anaman ini memberikan penguatan kearah vertikal dan horisontal. Pemakaianna dalam konstruksi terutama pada bagian frame dan girder. WR ini sedikit kaku, sehingga agak sulit dibentuk terutama bila digunakan untuk bagian berlekuk tajam. Serat melintang Serat memanjang Gambar.6 Susunan serat woven roving. b. Chop Strand Mat (CSM) Chop strand mat (Gambar.7) mempunai bentuk seperti anaman tidak teratur, serat gelas ang teranam dibuat bertindih secara tidak teratur kesegala arah (undirectional). Serat gelas ang teranam mempunai panjang serat ang relatif lebih pendek dari panjang serat WR. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

26 Kumpulan anaman adalah seperti tumpukan jerami; anaman ini memberikan penguatan ke segala arah. Pemakaianna dalam konstruksi terutama pada bagian Hull. CSM ini lebih fleksibel, sehingga mudah dibentuk dan mudah digunakan untuk bagian berlekuk tajam. Serat Gelas Gambar.7 Susunan serat chop strand mat.. Komposit sebagai material helm industri Banak jenis material ang dapat dipilih untuk membentuk helm industri, contohna untuk helm standard terbuat dari jenis polimer : Polethlene (PE), Polprophlene (PP) atau Acrlic Butadien Strene (ABS), sedangkan helm non standard misalna Ethlene Propelene Copolmer. Dalam penelitian ini helm dibuat dari bahan komposit GFRP, dengan material penusun helm dan sifat mekanikna seperti berikut : a. Bahan matriks adalah Unsaturated Polester Resin 57 BQTN EX dengan sifat mekanis seperti diperlihatkan pada tabel. Tabel. Sifat mekanik unsaturated polester resin 57 BQTN EX Sifat mekanis Satuan Harga Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

27 Berat jenis Modulus elastisitas (E) Kekuatan tarik statis Elongation Mgm - GPa MPa %.5, 55.6 b. Bahan serat adalah serat E-glass, dengan sifat mekanik seperti diperlihatkan pada tabel.. Tabel. Sifat mekanik serat jenis E-glass Sifat mekanis Satuan Harga Diameter Densitas Modulus elastisitas (E) Kekuatan tarik Elongation μm kg.m - GPa MPa % 5 s.d 6 7, 5.8 Penggunaan komposit saat ini semakin luas misalna di sektor olahraga kita temui berbagai perlengkapan olahraga seperti papan surfing, raket tenis dan bulutangkis, perahu laar, atau untuk pesawat tempur maupun pesawat luar angkasa ang semuana membutuhkan bahan ang ringan tapi kuat. Dalam penelitian ini diharapkan helm ang terbuat dari bahan komposit GFRP juga dapat memiliki sifat ang ringan namun tetap kuat sehingga memberikan kenamanan bagi pemakaina.. Pengukuran Tegangan Pada Helm.. Peralatan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

28 Alat ang digunakan untuk pengambilan data tegangan ang terjadi pada helm adalah kompresor impak dengan detil peralatan ang dapat dilihat seperti gambar.8, Keterangan Gambar:. Kompresor 8. Test rig dan spesimen Helm. Tangki Udara 9. Strain Gage. Pressure Regulator. Bridge Head. Katup Solenoid. Signal Conditioner 5. Pipa Barel. Transient Converter Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

29 6. Striker. Personal Computer 7. Input bar. Interface Gambar.8 Set-up alat uji KOMPAK.. Teknik Propagasi Tegangan Aplikasi teknik propagasi tegangan untuk mengukur kekuatan material pertama sekali dikembangkan oleh Kolsk [] ang menemukan suatu cara pengukuran kekuatan tekan material menggunakan prinsip propagasi tegangan dalam batang satu dimensi. Hasilna sangat mengagumkan karena dengan teknik itu persamaan konstitutif kompresi dapat diperoleh sampai pada laju pembebanan melebihi s -. Pemakaian metoda Kolsk untuk mendapatkan sifat mekanik berbagai bahan telah dilaporkan oleh beberapa peneliti lain [,,]. Teknik propagasi tegangan juga telah dikembangkan untuk material getas (brittle), Sam, B, etl [5,6] dan Daimarua, etl [7,8] membuat modifikasi batang kolsk dan mengadopsi teknik propagasi tegangan dalam batang untuk menghitung kekuatan tarik impak berbagai material getas.... Rambatan gelombang pada batang Gelombang dibagi atas bagian, aitu: () gelombang transversal, dan () gelombang longitudinal. Gelombang longitudinal digunakan sebagai konsep dasar pembahasan teori kekuatan tarik impak. Untuk membahas perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam, dapat dilihat pada Gambar.9 [9]. Gaa impak diberikan pada ujung kiri batang, ang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C, pada waktu t. C V o,t C l,t Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

30 Gambar.9 Perilaku Gelombang Keseimbangan momentum pada Gambar., berupa: ΔmV = F t mv = F ( A C t ρ ) V = σ A t o l o o o o o o o t o σ = ρ C V (.) l o dimana: C l V o σ o = Kecepatan gelombang longitudinal merambat pada batang = Kecepatan partikel = Tegangan pada batang. Modulus elastisitas suatu bahan dapat dinatakan dengan persamaan: E = C l ρ C l = E ρ... (.) Subtitusi Persamaan (.) ke Persamaan (.) akan diperoleh : σ = E ρ V... (.) o o o Energi ang dipindahkan batang pada waktu t dapat dibedakan menjadi dua bagian aitu: Energi kinetik ang besarna: Ek Ek o = = A mv o (C t)ρ l o V o (.) Energi regangan ang dipindahkan sebesar: Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

31 Es = Volume. A (Cl t) σ Es = E Es Es o o A = o σ E (Cl t)( Eo ρ E o ) V o Ao Cl t ρo Vo =...(.5) Sehingga energi total ang dipindahkan batang pada waktu t adalah: Et = Ek = o A o + Es o o (C t)ρ l o V ( C t) ρ V l o o o + A o (C t)ρ E t = A...(.6) Dengan demikian terlihat besarna energi ang dipindahkan pada batang ditentukan oleh harga-harga A, C, t, ρ, dan kecepatan awal batang. l o V o... Impak pada batang Susunan batang ang digunakan pada metode pengujian impak ini diperlihatkan secara skematis pada Gambar., ang terdiri dari: batang impak, batang penerus, dan spesimen. Gambar. Sus Batang unan Batang impak Uji Batang penerus Spesimen Spesimen dapat berbentuk batang ata u tabung dengan geometri sederhana dan diletakkan V bersentuhan secara kolinir dengan batang penerus. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

32 Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunai kecepatan V sedangkan batang penerus dan spesimen mempunai kecepatan ang sama aitu: V = V =. Setelah impak, lihat Gambar. (dimana C,, C,, dan C, adalah kecepatan gelombang dalam masing-masing batang), gelombang longitudinal tekan akan merambat dari bidang antar muka impak (impact interface) batang impak dan batang penerus ke dalam masing-masing batang. Akibatna, bidang antar muka impak dan spesimen pada akhirna mempunai kecepatan ang sama sebesar V. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaa, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, ang dapat dinatakan dengan hubungan: σ A = σ A... (.7) dimana: A A σ σ = Luas penampang batang = Luas penampang batang = Tegangan pada batang = Tegangan pada batang C σ σ C V V V Gambar. Perilaku Batang Setelah Terjadi Impak Dari hubungan impuls momentum diperoleh hubungan σ = E ρ V di mana: σ= tegangan impak, ρ= massa jenis bahan, E= modulus Young, dan V= kecepatan partikel. Dengan demikian pada batang impak ang bergerak dengan kecepatan V akan timbul tegangan sebesar: σ = ρe ( V V ' ) σ ' ρe V ρev =...(.8) dimana: V = Kecepatan sebelum tumbukan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

33 V ρ = Kecepatan setelah tumbukan = Masa jenis bahan batang. Selanjutna kita tinjau batang, ang bergerak dengan kecepatan V. Melalui Gambar.8 dapat ditentukan tegangan pada batang, aitu: ' V E ρ σ = ' E V ρ σ =...(.9) Substitusi Persamaan (.9) ke Pers. (.8) akan menghasilkan: E ρ σ E ρ V E ρ σ =...(.) sehingga Persamaan (.) dapat ditulis: σ E ρ V E ρ E ρ E ρ σ = V E ρ E ρ σ E ρ E ρ σ = +...(.) Dengan mensubstitusikan Pers. (.7) ke Pers. (.) diperoleh : V E ρ E ρ A )σ A E ρ E ρ (A = + A E ρ A E ρ A V E ρ E ρ σ + =...(.) dengan cara ang sama akan diperoleh nilai σ aitu: A E ρ A E ρ A V E ρ E ρ σ + =...(.) Tegangan impak ang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisna. Bila luas kedua penampang sama besar, maka σ = Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

34 σ = σ. Selanjutna tinjau rambatan gelombang tegangan elastis pada input bar dan spesimen seperti pada Gambar.. Tegangan ang masuk dari ujung kiri input bar sebesar σ akan timbul pada interface input bar dan spesimen pada saat t = l /C, dimana l adalah panjang input bar dan C, adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini, ada tiga bentuk gelombang tegangan ang terlibat, aitu: () Tegangan ang terjadi (σ), () Tegangan ang ditransmisikan (σ T ), () Tegangan ang direfleksikan (σ R ). Gelombang tegangan tersebut dihubungkan oleh persamaan berikut : σ σ T R A E Co = σ...(.) A E C + A E C o o A E C o A E C o = σ...(.5) A E C + A E C o o A ρ C o, interface A ρ C o, V V R V T σ σ R σ T Gambar. Perilaku tegangan pada interface input bar dan spesimen Bila α adalah faktor transmisi dan β adalah faktor refleksi, didapat hubungan: σ = ασ T...(.6) σ = βσ R...(.7) Untuk material ang mempunai sifat mekanis dan dimensi ang sama maka dengan mensubstitusikan harga E = E, Co = Co, A = A, dan L = L ke dalam persamaan (.) dan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

35 (.5), diperoleh σ T = σ dan σ R =. Ini berarti besar tegangan ang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan ang masuk, dan tidak ada tegangan ang direfleksikan.... Pengukuran beban impak Beban impak, aitu tegangan insiden ang ditransmisikan ke dalam spesimen helm, dapat dihitung menggunakan pers. (.), jika harga tegangan impak (σ) telah diketahui. Pada Gambar. (b) (bagian ang diarsir) telah ditunjukkan besarna tegangan insiden ang ditransmisikan ke dalam spesimen helm, di mana terlihat bahwa tegangan insiden ditentukan oleh faktor transmisi (α) ang hargana dapat dihitung jika geometri dan sifat mekanik kedua batang diketahui. Harga tegangan impak (σ) dan tegangan insiden (ασ) dapat diperoleh dengan mengukur regangan ang terjadi pada batang penerus. Tegangan ang terjadi pada helm dapat diukur langsung pada spesimen helm, dengan cara memasang strain gage pada permukaan helm (pengukuran langsung). a Strain gage L ab b L bc a b Striker Input bar c TS TS -σ σ σ -σ (b) -σ Tib Tib βσ -ασ ασ Α ασ Ts Ts -βσ βσ Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

36 teg. insiden σ Lokasi a Lokasi b ασ βσ Gambar. Diagram Lagrange (pakai spesimen). Simulasi Komputer.. Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga adalah metode numerik ang digunakan untuk menelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis. Tipe masalah teknik dan matematik ang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, aitu masalah analisa struktur dan masalah non struktur. Tipe-tipe permasalahan struktur meliputi : analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran. Sedangkan masalah non struktur meliputi : perpindahan panas, mekanika fluida, dan distribusi potensial listrik dan potensial magnet. Dalam persoalan-persoalan ang menangkut geometri ang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur ang kompleks, pada umumna sulit dipecahkan melalui matematika analisis. Hal ini disebabkan karena matematika analisis memerlukan besaran atau harga ang harus diketahui pada setiap titik pada struktur ang dikaji. Penelesaian analisis dari suatu persamaan diferensial suatu geometri ang kompleks, pembebanan ang rumit, tidaklah mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini. Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga ang tidak diketahui pada setiap titik secara diskrit. Dimulai dengan pemodelan dari suatu Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

37 benda dengan membagi-bagi dalam bagian ang kecil ang secara keseluruhan masih mempunai sifat ang sama dengan benda ang utuh sebelum terbagi dalam bagian ang kecil (diskritisasi). Secara umum langkah-langkah ang dilakukan dalam metode elemen hingga dirumuskan sebagai berikut :. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi Tipe elemen ang digunakan dalam metode elemen hingga ini aitu : elemen segitiga dan segi empat untuk dua dimensi, sedangkan untuk kasus- kasus tiga dimensi digunakan elemen tetrahedral, heksagonal, dan balok. Selanjutna bagilah benda tersebut dalam elemen-elemen, langkah ini disebut langkah diskritisasi.. Pemilihan fungsi pemindah /fungsi interpolasi Jenis-jenis fungsi ang sering digunakan adalah fungsi linier, fungsi kuadratik, kubik, atau polinomial derajat tinggi.. Mencari hubungan strain-displacement dan stress-strain. Sebagai contoh untuk kasus satu dimensi berlaku hubungan : du ε =...(.8) d σ = E ε...(.9) Untuk menurunkan persamaan.8 tinjaulah sebuah elemen kecil d d d dari sebuah benda seperti pada gambar. d P d d,,w, v, u Gambar. Elemen d d d Apabila benda mengalami perubahan bentuk dan u,v,w merupakan komponen perpindahan titik P du maka satuan perpanjangan (unit elongation) pada titik P dalam arah sumbu adalah. d Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

38 5. Gunakan persamaan kesetimbangan { F }= [ k] {} d...(.) kemudian masukkan sarat batas ang diketahui. 6. Selesaikan persamaan pada langkah lima dengan menghitung harga ang belum diketahui. 7. Hitung stress dan strain dari tiap elemen... Elemen tetrahedral Bentuk elemen tetrahedral ditunjukan pada gambar berikut ini.,w,v,u Gambar.5 Bentuk elemen solid tetrahedral Displacemen {d} adalah : Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

39 =.. } { w v u w v u d...(.) fungsi displacemen u adalah : ( ) ( ) ( ) ( = 6 u u u u v u δ γ β α δ γ β α δ γ β α δ γ β α )...(.) dimana 6v dihitung dari harga determinan berikut : 6 v =...(.) v menatakan volume dari elemen tetrahedral.koefisien koefisien α i, βi,δi, ( i =,,, ) dalam persamaan sebelumna diberikan sebagai berikut : 5 = α = β...(.) Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

40 = γ = δ.(.5) = α = β.(.6) = γ = δ...(.7) = α = β...(.8) = γ = δ.(.9) = α = β.(.) Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

41 = γ = δ...(.) Fungsi displacemen dalam kaitanna dengan fungsi bentuk N ditulis sebagai berikut: = w v u w v u w v u w v u N N N N N N N N N N N N w v u...(.) dimana v N 6 δ γ β α = v N 6 δ γ β α =...(.) v N 6 δ γ β α = v N 6 δ γ β α = Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

42 strain dari elemen untuk kasus stress tiga dimensi diberikan dalam persamaan berikut ini: {} [ ]{} d B = ε...(.) [ ] = β δ γ δ β λ δ γ β B.(.5) hubungan stress- strain diberikan melalui persamaan: { } [ ]{} ε σ D =...(.6) dimana adalah : [ ] D [ ] ( )( ) + = v v v v v v v v v v v E D...(.7) Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

43 .. Penelitian-penelitian ang berhubungan dengan simulasi helm Penelitian tentang kekuatan helm dan keamananna telah dilakukan beberapa peneliti dengan menggunakan simulasi komputer, diantarana : Praveen Kumar Pinnoji dan Puneet Mahajan telah meneliti tentang beban impak ang terjadi pada helm sepeda motor dan juga otak manusia (Gambar. dan.5) dengan menggunakan software LS-DYNA []. Gambar.6 Impak depan dan samping pada helm sepeda motor Gambar.7 Tegangan ang terjadi pada otak manusia akibat beban impak Sedangkan penelitian helm industri non standard (dari bahan Ethlene Propelene Copolmer) ang mendapat beban impak kecepatan tinggi telah dikembangkan dengan simulasi komputer oleh Sam B dan Naan dengan memakai software MSC Nastran.5 []. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

44 .5. Kerangka Konsep Untuk membandingkan selisih tegangan antara eksperimen dan simulasi maka tegangan ang dikeluarkan dari simulasi hana pada elemen berjarak 5 mm dan mm dari titik impak. Dalam penelitian ini variabel bebas aitu jarak impak antara striker dan input bar, tegangan insiden, waktu impak, dan modulus elastisitas akan mempengaruhi distribusi tegangan pada helm. Dan dengan simulasi permasalahan ini akan bisa diatasi sehingga distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm bisa diketahui. Kerangka konsep dalam penelitian ini digambarkan seperti Gambar.6. Permasalahan : Distribusi Tegangan Pada Seluruh Permukaan Helm Tidak Diketahui Variabel Bebas : - Jarak Impak - Tegangan Insiden Simulasi Komputer Data hasil - Waktu Impak eksperimen - Modulus Elastisitas Hasil ang diperoleh : - Tegangan pada seluruh permukaan helm. - Selisih tegangan antara simulasi dan eksperimen. - Lokasi dan tegangan terbesar pada helm. - Pebedaan tegangan bila waktu impak dirubah. - Perbedaan tegangan bila modulus elastisitas dirubah. Gambar.8 Kerangka konsep penelitian Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

45 BAB METODE PENELITIAN.. Tempat dan Waktu Pengambilan data telah dilaksanakan oleh peneliti sebelumna [5] di laboratorium Pusat Riset Impak dan Keretakan jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sedangkan klarifikasi dengan simulasi komputer akan dilaksanakan di IC-STAR. Waktu penelitian mulai dari tanggal pengesahan usulan oleh pengelola program sampai dinatakan selesai... Bahan, Peralatan dan Metode... Bahan Dalam penelitian ini spesimen helm ang akan disimulasikan adalah helm industri ang terbuat dari komposit polimer GFRP ang terdiri dari polester resin 57 BQTN EX dan dua lapis serat E-Glass jenis Chop Strand Mat ang dibuat dengan metode hand la up (Gambar.). (a) tampak atas (b) tampak samping Gambar. Helm komposit... Peralatan Peralatan ang digunakan untuk mengambil data tegangan insiden dan tegangan ang terjadi pada helm adalah alat uji kompak seperti ang terlihat pada gambar.8, data ini merupakan data rujukan ang diperoleh dari peneliti sebelumna [5]. Untuk simulasi tegangan pada helm digunakan software MSC Nastran.5, sedangkan pemodelan helm dibuat dengan bantuan software Autocad. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

46 .. Metode... Metode pengumpulan data... Sifat mekanik helm Sifat mekanik helm ang diperlukan dalam simulasi komputer adalah modulus elastisitas dan poisson ratio, ang telah diperoleh dari uji tarik material helm tersebut [].... Massa jenis helm Massa jenis (ρ) spesimen uji merupakan salah satu informasi penting ang dibutuhkan untuk simulasi komputer. Harga massa jenis spesimen uji telah diperoleh dengan cara mengukur besarna massa dibagi dengan volume spesimen [5]. Volume diketahui dengan mengukur dimensi pada saat spesimen berbentuk potongan pelat ang berukuran mm, sedang massa diukur dengan timbangan digital.... Pengukuran tidak langsung (metode dua gage) Pengimpakan helm dengan metode dua gage dimaksudkan untuk menghitung tegangan impak ang merambat pada input bar dan tegangan insiden ang masuk serta berpropagasi ke dalam helm, tegangan insiden inilah ang akan dimasukkan sebagai beban impak dalam simulasi komputer. Pengukuran tidak langsung ini dilakukan dengan cara menempel dua buah semi conductor gage pada input bar pada posisi mm dan mm dari ujung kiri input bar seperti diperlihatkan pada Gambar.. Sinal gelombang tegangan dihasilkan dari ujung impak striker dan input bar, setelah pengimpakan. strike input 5 b 5 gage a gage b Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

47 8 5 Teg ang an ( MPa) Stress ( M P a ) Waktu (μs) - -5 Time (μs) Gambar. Tipikal grafik tegangan impak dan tegangan insiden... Pengukuran langsung Pengujian respon helm ang dilakukan secara langsung bertujuan untuk memperoleh data tegangan ang terjadi pada helm, data inilah ang akan dibandingkan dengan data hasil simulasi komputer. Pengukuran langsung ini dilakukan dengan menggunakan uniaial strain gage ang dipasangkan arah-x dan arah-y pada jarak 5 mm dan mm pada bagian atas helm. Helm diimpak dengan jarak impak ang bervariasi dengan tekanan impak, Mpa. Pemasangan strain gage dengan jarak ang sudah ditentukan di atas bertujuan untuk mendeteksi karakteristik tegangan sedekat mungkin dengan beban impak dengan memvariasikan tekanan dan jarak impak. Adapun set-up pengukuran langsung pada helm tersebut dapat dilihat pada Gambar. dan.. Set-up pengukuran tegangan arah-x (σ ) dan Y ( σ ) akibat impak pada helm dari arah atas ditunjukkan pada Gambar. dan.. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

48 5 mm 5 mm Striker Input Bar Gambar. Set-up pengukuran respon helm dengan uniaial gage arah-x (σ ) (b= 5 mm dan mm dari titik impak) 5 mm Striker 5 mm Input Bar Gambar. Set-up pengukuran respon helm dengan uniaial gage arah-y (σ ) (b= 5 mm dan mm dari titik impak)... Metode Analisa Dengan Simulasi Dalam penelitian ini analisa dengan simulasi komputer dilakukan dengan menggunakan software MSC/NASTRAN.5 sedangkan model helm industri digambar dengan bantuan software Autocad. Adapun langkah-langkah analisa dengan simulasi komputer dapat dilihat seperti berikut ini,. Helm industri digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm ang sebenarna dengan menggunakan software Autocad. Karena bentukna ang simetris maka helm akan dibagi menjadi dua bagian dengan tujuan untuk mempercepat proses analisa ang akan dilakukan dengan software Nastran.. Permukaan helm dibagi dalam elemen-elemen ang berbentuk heksagonal atau tetrahedral dengan ukuran elemen sesuai dengan ang diinginkan dengan mengisi item-item ang diperlukan pada kotak dialog di bawah ini. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

49 Gambar.5 Kotak dialog ukuran elemen. Sifat mekanik helm seperti modulus elastisitas, poisson ratio, dan massa jenis dimasukkan ke software MSC/NASTRAN.5. Gambar.6 Kotak dialog sifat mekanik. Pada titik-titik tertentu dari helm diconstraint sehingga pada sumbu-sumbu ang diinginkan helm tidak dapat bergerak (sesuai dengan keadaan pada waktu melakukan pengujian di laboratorium). Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

50 Gambar.7 Kotak dialog constraint 5. Waktu impak pada simulasi MEH diambil dari grafik tegangan insiden dari hasil pengujian dan akan dimasukkan ke kotak dialog berikut ini : Gambar.8 Kotak dialog model fungsi 6. Dalam software Nastran ini beban akan diberikan dalam bentuk tegangan (pressure), karena berdasarkan hasil eksperimen beban impak ang membentur helm adalah dalam bentuk tegangan insiden. Beban impak tersebut akan diletakkan pada elemen ang sesuai dengan titik impak sewaktu pengujian, beban impak akan dimasukkan ke kotak dialog berikut ini : Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

51 Gambar.9 Kotak dialog beban impak 7. Setelah langkah-langkah di atas selesai dilakukan maka langkah terakhir aitu proses analisa bisa dilakukan sehingga distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm dapat diperoleh. Gambar. Kotak dialog analisa.. Rancangan Penelitian Data tegangan insiden dan tegangan pada helm dengan impak pada bagian atas helm (gambar.) ang telah diperoleh dari peneliti sebelumna [5] diambil sebagai rujukan untuk dibandingkan dengan hasil simulasi. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

52 Striker 5 mm Input bar 5 mm Gambar. Set-up uji helm Tahap berikutna adalah memodelkan helm dengan bantuan software Autocad, helm dimodelkan sesuai dengan dimensi aslina. Kemudian data tegangan ang diperoleh dari eksperimen di laboratorium tadi akan diklarifikasi dengan hasil simulasi komputer menggunakan software MSC/NASTRAN.5.. Pelaksanaan Penelitian Urutan pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada Gambar. berikut ini : M u l a i Pemodelan Helm Sifat Mekanik Material Helm Model Pembebanan dari Grafik Tegangan Insiden Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

53 Analisa Nastran H a s i l Kesimpulan Selesai Gambar. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian.5. Variabel ang diamati Adapun variabel-variabel ang akan diamati dalam penelitian ini adalah :. Jarak impak, aitu jarak antara striker dan input bar.. Tegangan insiden, aitu tegangan ang ditransmisikan ke dalam helm.. Waktu impak, aitu waktu benturan antara input bar dan spesimen helm.. Distribusi tegangan pada seluruh permukaan helm. 5. Modulus Elastisitas. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

54 BAB HASIL DAN PEMBAHASAN. Simulasi Helm Dan Perbandinganna Dengan Hasil Eksperimen Sebelum simulasi elemen hingga dilakukan, helm dimodelkan dengan bantuan software autocad. Helm digambar sesuai dengan dimensi dan geometri helm ang sebenarna (Gambar.) a). Tampak Depan b). Tampak Samping Gambar. Dimensi helm Setelah itu helm dipindahkan ke software MSC/Nastran.5 dengan mengimport dari model autocad. Dalam MSC/Nastran.5 analisa bisa dilakukan dengan mengambil setengah dari model helm Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

55 ang sebenarna dengan sarat bentuk geometri helm harus simetris terhadap salah satu sumbuna (Gambar.). V Y X Z Gambar. Model helm setelah dibagi dua Di dalam software MSC/Nastran.5 telah tersedia berbagai jenis material beserta sifat-sifat mekanikna (Gambar.), bila dipilih salah satu dari material-material tersebut maka kotak dialog untuk material otomatis akan terisi (Gambar.). Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

56 Gambar. Kotak dialog jenis material Gambar. Kotak dialog sifat mekanik material Namun karena material helm dalam penelitian ini tidak terdapat dalam daftar ang disediakan oleh MSC/Nastran.5 maka sifat-sifat mekanik ang telah diperoleh melalui uji tarik seperti modulus elastisitas, massa jenis, dan poisson ratio harus diisikan ke dalam kotak dialog (Gambar.5) Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

57 Ketika helm dimodelkan dengan software autocad, ukuran helm dibuat dalam satuan milimeter, sehingga modulus elastisitas dan massa jenis dari hasil uji tarik ang masih memakai satuan meter harus dikonversikan terlebih dahulu ke dalam satuan milimeter sebelum dimasukkan ke dalam kotak dialog. N N E = 6,689 GPa = 6, = 6689 m mm ρ = kg 555 =,555. m 6 kg mm = 6689 MPa Gambar.5 Kotak dialog material helm komposit Bentuk elemen ang digunakan dalam simulasi adalah elemen solid tetrahedral empat node. Jumlah elemen ang akan terbentuk pada model helm tergantung pada ukuran elemen (element sie) ang terdapat dalam kotak dialog (Gambar.6 ). Ukuran elemen sebesar delapan dipilih berdasarkan luas permukaan input bar ang membentur helm sewaktu melaksanakan eksperimen di laboratorium. Helm setelah selesai di mesh dapat dilihat pada gambar.7 dengan jumlah elemen sebanak 69 dan node 87. Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

58 Gambar.6 Kotak dialog mesh V Y X Z Gambar.7 Helm setelah di mesh Kondisi ang terjadi sewaktu melakukan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa setelah helm menerima beban impak maka helm ang terletak di atas tes rig akan bertranslasi searah dengan arah beban impakna, sedangkan untuk gerakan rotasi tidak terjadi pada helm (Gambar.7). Kondisi di atas harus diadopsi ke dalam simulasi agar hasil simulasi ang diperoleh dapat mendekati hasil dari eksperimen. Karena dalam penelitian ini beban ang disimulasikan adalah beban impak dari sebelah atas helm atau dalam MSC/Nastran artina beban impak tersebut diberikan dalam arah sumbu Y (Gambar.8), maka untuk gerakan translasi helm harus diconstraint dalam arah sumbu X dan Z saja. Sedangkan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

59 untuk arah Y tidak diconstraint karena pada arah sumbu ini helm akan bertranslasi setelah kena beban impak (Gambar.9). Helm setelah selesai diconstraint dapat dilihat pada gambar.. V L.5 Y X Z Gambar.8 Beban impak dalam arah sumbu Y Gambar.9 Kotak dialog constraint Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

60 V C Z X Y Gambar. Helm setelah diconstraint Dari diagram Lagrange diperoleh informasi bahwa bila ada perbedaan sifat mekanik dan dimensi antara input bar dengan spesimen helm, maka tegangan ang menjalar di input bar (σ ) sebagian akan ditransmisikan ke dalam helm (ασ ), sedangkan sisana akan direfleksikan kembali ke dalam input bar ( βσ ) (Gambar.8). Tegangan ang ditransmisikan ke dalam helm (disebut juga dengan tegangan insiden) inilah ang sebenarna menjadi beban impak, dan beban impak ini akan mengakibatkan terjadina tegangan pada permukaan helm. Beban impak dan selang waktu ang telah tercatat dari eksperimen akan dimasukkan ke dalam simulasi, aitu sebesar,5 MPa dengan waktu impak μ s untuk ID mm dan,56 MPa dengan waktu impak μ s untuk ID mm (Gambar.). Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

61 P =, Mpa Striker 5 mm Input Bar 5 mm a Stress (MPa) b 6 Tegangan (MPa) t i - Waktu (μs) -6 Time (μ s) Gambar. Tegangan insiden dan waktu impak hasil eksperimen Untuk memperoleh titik impak ang sesuai dengan eksperimen dapat dilakukan dengan memilih elemen ang telah terbentuk pada helm seperti ang ditampilkan pada gambar.7, elemen ang dipilih adalah ang sesuai dengan lokasi titik pengimpakan (gambar.). Gambar. Kotak dialog pemilihan elemen Di dalam software MSC/Nastran tersedia beberapa jenis bentuk pembebanan, diantarana adalah dalam bentuk gaa (force) dan dalam bentuk tekanan atau tegangan (pressure). Karena beban Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

62 impak ang diperoleh dari eksperimen di laboratorium dalam bentuk tegangan, maka dipilih pembebanan dalam bentuk pressure (Gambar.) Gambar. Kotak dialog beban impak dalam bentuk pressure Sedangkan untuk pembebanan tersedia empat arah aitu dari sebelah atas, bawah, kiri, dan kanan. Dalam hal ini dipilih face ang memberikan arah impak dari sebelah atas helm (Gambar.). Gambar. Kotak dialog arah pembebanan Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

63 Beban ang diberikan pada simulasi berdasarkan intensitas tegangan insiden dalam fungsi waktu F(t) pada ID 6 aitu sebesar,5 MPa dengan selang waktu μs (Gambar.5). Dan untuk mendapatkan hasil ang maksimal, kurva tegangan insiden hasil eksperimen dimodifikasi menjadi setengah sinus dengan tidak merubah besar beban. Selanjutna data-data tersebut dimasukkan ke dalam kotak dialog model fungsi (Gambar.6) dan bentuk kurva tegangan insiden ang telah dimodifikasi menjadi setengah sinus dapat dilihat pada Gambar.7 6,5 - - t i = μ s - 6 Gambar.5 Tegangan insiden vs waktu impak hasil eksperimen Gambar.6 Kotak dialog model fungsi Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

64 DYNA Gambar.7 Kurva modifikasi tegangan insiden untuk simulasi Karena beban ang diberikan pada helm adalah beban impak atau beban dinamis maka dalam simulasi juga diperlukan pembebanan dalam bentuk dinamis (Gambar.8). Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

65 Gambar.8 Kotak dialog beban dinamis Langkah terakhir adalah proses analisa dengan memilih analsis tpe dalam bentuk transient dnamic dan output tpes dalam bentuk displacement and stress (Gambar.9). Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8

66 Gambar.9 Kotak dialog analisa Hasil ang diperoleh dari simulasi dapat ditampilkan dalam bentuk tegangan pada permukaan helm, seperti terlihat pada gambar.. V L C Y X Z Output Set: Case Time.87 Con tour: Solid Z Normal Stress Gambar. Distribusi tegangan pada helm Kecepatan Tinggi, 8 USU Repositor 8