SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET SEPEDA MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT SKRIPSI

Transkripsi

1 SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET SEPEDA MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Tekni k PRADIPTA SIGIT SAELAN NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014

2

3

4

5

6

7

8 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan kekuatan selain dari-nya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, atas izin-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih diambil dari mata kuliah Proses Produksi Non-Logam, yaitu SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET SEPEDA MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT. Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Prayit Sarwinto,SE dan Ibunda Susilawaty.br.Saragi,SH serta adik dan abang tersayang (Thirza Thamara dan Angga Kim Prapta) atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini. 3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Ir.Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. Bapak Ir.Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi. 4. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik. i

9 5. Teman satu tim (Sukardi) yang telah bersama-sama menyelesaikan seluruh penelitian dengan kerja tim yang baik. 6. Abang dan Kakak Mahasiswa Magister Teknik Mesin (Ade Irwan, Mahadi, Ria Dini) anggota tim komposit busa polimer yang telah banyak meluangkan tenaga, waktu dan pikiran dalam membimbing penulis. 7. Bapak Nuzuli Fitriadi, ST dan Zulfikar, ST, MT sebagai asisten Laboratorium IFRC yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membimbing penulis. 8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009, khususnya (Chabib Muhammad, Indro Pramono, Harri Rusadi, Adryan Guruh, Irvin, Vinsensius, Zuhdi, Andri, Frans Dinata, Adi Surya, Randy, Eky, Rinaldi Aulia, Cevi Octora dan Raflintar) yang telah memberi dukungan kepada penulis dalam menyusun skripsi ini baik berupa tenaga, waktu, pikiran maupun motivasi. 9. Kerabat dekat (Veny Desi Arti dan Adhie Ghumara) yang telah banyak mendukung dan memotivasi penulis. 10. Adik-adik stambuk 2011 khususnya (Sugito, Indra, Teguh, Kin, Abdul Hadi, dan Kahar) yang sedikit banyak ikut membantu. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya. Amin Ya Rabbal Alamin. Medan, 4 Maret 2014 Penulis, Pradipta Sigit Saelan NIM : ii

10 ABSTRAK Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital manusia yaitu kepala dari benturan yang berbahaya. Desain helmet sepeda berbeda dari helmet sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam. Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi samping dan belakang. Untuk mengetahui distribusi tegangan dan regangan perlu dilakukan simulasi dan verifikasi simulasi pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan eksperimental uji impak jatuh bebas. Penelitian ini melakukan simulasi pembebanan impak pada helmet sepeda. Helmet dimodel dengan menggunakan Solidwork 2013 dan disimulasi menggunakan software ANSYS 14.0 Workbench yang berbasis Finite Element Method (FEM) untuk dibandingkan dengan helmet yang diuji secara eksperimental. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa dari hasil simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet pada ketinggian 1 m dan kecepatan 4429 mm/s diperoleh tegangan maksimum 1,405 Mpa dan tegangan pada sisi samping adalah 0,938 MPa, untuk sisi belakang dengan tinggi dan waktu yang sama diperoleh tegangan maksimum 0,905 Mpa sementara tegangan pada sisi belakang helmet adalag 0,603 MPa. Regangan maksimum yang diperoleh pada simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet adalah 0,04, untuk sisi belakang helmet diperoleh regangan maksimum 0,043. Dari pengujian impak jatuh bebas diperoleh tegangan sisi samping 1,029 MPa, dan untuk sisi belakang diperoleh 0,683 MPa. Dengan membandingkan tegangan hasil simulasi dan hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi samping selisih 0,091 MPa atau 9,73%, sedangkan untuk sisi belakang diperoleh selisih 0,08 MPa atau 13,26%. Kata kunci: Helmet Sepeda, Software ANSYS 14.0, Impak jatuh bebas iii

11 ABSTRACT Helmet is a tool that is used as a protector of a vital part of human s head from a dangerous collision. Bicycle helmet design is different from a motorcycle helmet, speed for bike is only about 15 km / hour. In general, the impact loads on a bike helmet occurs on the side and rear. To determine the stress and strain, impact testing needs to be done with the simulation and verification of the simulation in free fall impact testing conducted with an experimental free-fall impact test. This study simulating the impact loading on a bicycle helmet. Helmet modeled by using Solidwork 2013 and simulated using ANSYS 14.0 Workbench software - based Finite Element Method ( FEM ) for comparison with the helmet is tested experimentally. In this study, results found that the results of the simulation of free-fall impact test on the side of the helmet height of 1 m and a speed of 4429 mm / s obtained at MPa maximum stress and MPa on the side helmet, to the rear side of the same height and time of maximum stress obtained Mpa and MPa on the rear helmet. The maximum strain obtained in simulated free-fall impact test side helmet is 0.04, the back side of the helmet for maximum strain obtained The free fall impact test from left side helmet obtained at MPa stress and for the rear side obtained at MPa comparing the stress that occurs in the simulation results and experimental results of free fall impact test side obtained by the difference of MPa or 9.73%, while the back side is obtained for the difference 0.08 MPa or %. Keyword: Bicycle helmet, ANSYS 14.0 Software, Free-Fall Impact iv

12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pendahuluan Standarisasi Helmet Sepeda Komposit Busa Polimer Material Komposit Komposisi Material Komposit yang Digunakan Impak Jatuh Bebas Benda Jatuh Bebas Persamaan Gerak Lurus Teori Momentum dan Impuls Gaya dan Energi Impak Tegangan Teori Regangan Normal Maksimum Teori Tegangan Geser Simulasi Numerik BAB III METODOLOGI PENELITIAN v

13 3.1 Waktu dan Tempat Waktu Tempat Desain Helmet Sepeda Simulasi Komputer Impak Jatuh Bebas Diagram Alir Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pendahuluan Simulasi Impak Menggunakan Software ANSYS Simulasi Pembebanan Sisi Samping Helmet Simulasi Pembebanan Sisi Belakang Helmet Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Secara Eksperimental Pengujian Pada Sisi Samping Helmet Pengujian Pada Sisi Belakang Helmet Perbandingan Hasil Tegangan Simulasi dengan Eksperimental BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xi vi

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Helmet sepeda yang digunakan atlet... 6 Gambar 2.2. Komponen Hemet Sepeda... 8 Gambar 2.3. Klasifikasi bahan komposit Gambar 2.4. Perbandingan densitas Gambar 2.5. Perbandingan modulus elastisitas Gambar 2.6. Perbandingan kekuatan tarik Gambar 2.7. Perbandingan kekuatan tekan Gambar 2.8. Alat uji impak jatuh bebas Gambar 2.9. Grafik hubungan v-t Gambar Diagram kecepatan-waktu Gambar Elemen tegangan tiga dimensi Gambar Lingkaran Mohr untuk kasus beban triaksial Gambar Komponen-komponen regangan xy dalam bidang xy Gambar 3.1. Desain helmet sepeda sederhana Gambar 3.2. Geometry helmet sepeda yang berhasil masuk ke ANSYS Gambar 3.3. (a) dimensi anvil rata yang digunakan, (b) posisi anvil terhadap helmet sepeda Gambar 3.4. (a) mengubah nama geometri, (b) detail dari material Gambar 3.5. MESH spesimen 3-dimensi Gambar 3.6. Posisi fixed support Gambar 3.7. Pemberian Velocity Gambar 3.8. Solusi yang akan dicari Gambar 3.9. Diagram alir penelitian Gambar 4.1. Sisi helmet yang mengalami benturan Gambar 4.2. Hasil simulasi tegangan uji impak jatuh bebas sisi samping helmet dengan ketinggian 1 meter Gambar 4.3. Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar 4.4. Distribusi tegangan pada sisi kanan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar 4.5. Distribusi tegangan pada sisi belakang hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar 4.6. Gambar 4.6. Titik terjadinya tegangan maksimum Gambar 4.7 Grafik equivalent stress Gambar 4.8. Distribusi tengan normal pada sumbu-x Gambar 4.9. Distribusi tengan normal pada sumbu-y Gambar Distribusi tengan normal pada sumbu-z vii

15 Gambar Distribusi regangan uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar Distribusi regangan pada sisi kanan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet Gambar 4.15 Grafik equivalent elastic strain Gambar 4.16 Posisi Helmet saat dibenturkan Gambar Distribusi tegangan uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar Distribusi tegangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar Distribusi tegangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar Gambar 4.6. Titik terjadinya tegangan maksimum Gambar Grafik equivalent stress Gambar Distribusi tengan normal pada sumbu-x Gambar Distribusi tengan normal pada sumbu-y Gambar Distribusi tengan normal pada sumbu-z Gambar Distribusi regangan uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar Distribusi regangan pada sisi depan hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar Distribusi regangan pada sisi samping hasil uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet Gambar 4.28 Grafik equivalent elastic strain viii

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin tak jenuh Tabel 2.2. Tipikal tandan kosong kelapa sawit per kg Tabel 2.3. Komposisi material Tabel 2.4. Waktu dan kecepatan benda jatuh Tabel 3.1. Lokasi aktivitas penelitian Tabel 4.1. Hasil pengujian titik samping helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada ketinggian 1 m Tabel 4.2. Pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1 m Tabel 4.3. Hasil analisa MEH dengan ansys dan eksperimental Tabel 4.4. Perbandingan hasil analisa MEH dengan ansys dan eksperimental ix

17 DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan σ Tegangan MPa A Luas penampang mm 2 F Gaya Newton ε Regangan ΔL Perpanjangan mm L 0 Panjang mula-mula mm ρ Densitas g/cm 3 σ y Tegangan mulur MPa σ u Tegangan tarik MPa σ f Tegangan patah MPa E Modulus Young MPa ν Poisson Ratio h Ketinggian m v Kecepatan m/s x