T E S I S. Oleh PARLINDUNGAN S.P /TM L A H PA S C A S A R J A N A

Transkripsi

1 1 SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5 T E S I S Oleh PARLINDUNGAN S.P /TM S E K O L A H PA S C A S A R J A N A PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 2 SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5 T E S I S Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Fakultas Teknik pada Sekolah Pascasarjana Oleh PARLINDUNGAN S.P /TM PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

3 3 Judul Tesis : SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5 Nama Mahasiswa : Parlindungan S.P Nomor Pokok : Program Studi : Teknik Mesin Menyetujui Komisi Pembimbing (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Ketua (Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) Anggota (Ir. Tugiman, MT) Anggota Ketua Program Studi Dekan (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng)

4 4 Tanggal lulus : 25 November 2009 Telah diuji pada Tanggal : 25 November 2009 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng 2. Ir. Tugiman, MT 3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri 4. Ir. Awaludin Thayab, M.Sc

5 5 RIWAYAT HIDUP Nama : Parlindungan S.Pasaribu Tempat /Tgl.lahir : Serbalawan 19 Juli 1981 Pekerjaan : Staff Pengajar Fakultas Teknik Universitas Setia Budi Mandiri Medan Agama : Protestan Alamat : Jl. Seksama Gg.Harapan Pasti Barat No.5A Medan Telp : Hp : patar_y2@yahoo.com Jenis Kelamin : Laki Laki Pendidikan Institut Teknologi Medan SMU Kampus FKIP Univ HKBP Nomensen P.Siantar SMP Kristen Marga Utama SD Negeri Pematang Bandar

6 6 ABSTRAK Dalam penelitian ini dilakukan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda motor yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Helm dibuat dari bahan komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Konstruksi helm dibuat dua jenis yaitu helm komposit dan helm komposit dilapisi busa. Helm dibebani dengan beban impak pada tiga posisi yaitu pada bagian atas, samping, dan belakang dengan beban impak sebesar 8,2 MPa. Untuk melihat besarnya distribusi tegangan pada kedua helm ini, dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak AutoCad 2002 dan MSC/Nastran 4.5. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada helm komposit tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak belakang arah X dipeoleh pada titik Y sebesar -4,7 Mpa saat t μs dan titik Z sebesar -3,4 MPa saat t = 0,0040 μs. Penjalaran tegangan pada jarak 66mm dari titik pembebanan tampak semakin mengecil. Pada helm komposit dilapisi busa tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian beban impak atas arah Z diperoleh pada titik X sebesar -3,0 MPa saat t 0,0042μs dan titik Y sebesar -2,6 MPa, saat t =0,0045 μs. Hasil simulasi memberi informasi bahwa helm komposit dilapisi busa mampu menyerap tegangan hingga 1,6%. Kata Kunci : Helm Komposit GFRP, Simulasi komputer, Disrtibusi tegangan

7 7 ABSTRACT This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study, they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis) measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time μs and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time μs. For the composite helmet the condition stress propagated into the helmet became decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X direction was -3MPa of was developed at the time μs and Y direction was 2.6MPa of stress was developed at time μs. From the result of both helmet experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to absorb stress impact up to 1.6%. Key Words : Helmet Composite GFRP, Simulation Computer, Stress Distribution.

8 8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas hikmat dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul : Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa (Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan MSC/Nastran 4.5. Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak dan Keretakan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penulisan tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak memberi masukan saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang tinggi kepada: Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng (anggota), dan Ir.Tugiman (anggota), MT selaku komisi pembimbing telah memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal sampai menjadi sebuah tesis. Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana, Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah

9 9 memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Teknik Mesin SPs-USU. Bapak-Bapak dosen yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesainya tulisan usulan penelitian ini. Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah memberi kemudahan penggunaan fasilitas simulasi komputer. Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam pendidikan di Program Magister. Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di Pusat Riset Impak dan Keretakan atas bantuannya dalam melakukan penelitian, simulasi komputer dan penyelesaian tesis ini. Kedua orang tua,saudara penulis. Pendamping (Tari Sianipar) yang setia menemani penulis Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan tesis ini, oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Medan, 2010 Penulis, Parlindungan S.P

10 10 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... RIWAYAT HIDUP... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... i ii iii v vii ix x DAFTAR LAMPIRAN... xiv DAFTAR ISTILAH... xv BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 6 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Sejarah Helm Pemodelan Helm Prinsip-prinsip Cedera Kepala Komposit MSC/NASTRAN For Windows Version Metode elemen Hingga Kerangka Konsep BAB 3 METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Bahan, Peralatan, dan Metode Variabel Yang Diamati Pelaksanaan Penelitian... 49

11 11 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pendahuluan Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit Simulasi Busa (Foam) yang Melekat pada Helm Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit dilapisi Busa (Foam) BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA

12 12 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977) Klasifikasi cedera kepala Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak Mekanikal Propertis komposit GFRP Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX Sifat Mekanikal serat jenis E-glass Hasil Tegangan Pada Helm Komposit Hasil Tegangan Pada Busa (Foam) Hasil Tegangan Pada Helm Komposit dilapisi Busa (Foam)

13 13 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Helm Pertama BuatanBullard Komponen Helm Sepeda Motor Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan Impak (V 2 ) dan Percepatan Dimensi (a/g) Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk Komposit Klasifikasi/Skema Struktur Komposit Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat yang 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 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185 Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan) Tampilan Dasar Jenis Elemen Elemen Diberi Beban...27

14 Pemberian Constrain Diskretisasi Elemen Bentuk Elemen Solid Tetrahedral Kerangka Konsep Penelitian Susunan Serat pada Pelat GFRP Enam Lapis Helm Sepeda Motor Bahan Komposit Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit dengan Autocad Gambar Helm Geometri Dibagi Dua Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas Kotak Dialog Constrain Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu Hasil Grafik dari Hasil Analisa Hasil Simulasi Distribusi Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian Gambar Helm dengan Autocad Helm Solid Lapisan Busa (foam) dengan Gambar Autocad Busa (foam) Solid Helm Komposit Dilapisi Busa Lokasi Impak pada Helm Komposit Helm tampak depan Helm tampak samping...54

15 Dimensi Helm dengan Autocad Kotak Dialog Proses Import dari Autocad Model Helm dibagi Dua Kotak Dialog Jenis Material Kotak Dialog Sifat Mekanik Material Kotak Dialog Material Helm Komposit Kotak Dialog Mesh Model Elemen Tetrahedral Helm yang dimesh Beban Impak dalam Arah Sumbu Z Kotak Dialog Konstrain Posisi Konstrain Helm setelah dikonstrain Kotak Dialog Pemilihan Elemen Kesetimbangan Momentum Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure Kotak Dialog Arah Pembebanan Kotak Dialog Model Fungsi Kotak Dialog Library DYNA yang telah didaftar Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic Kotak Dialog Analysis Kotak Dialog Perintah menyimpan File Kotak Dialog Tempat Penyimpanan File

16 Kotak Dialog Proses Analisis Kotak Informasi Hasil Analisa Kotak Dialog Pilihan Model Style Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit Impak Atas Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Atas Distribusi Tegangan pada Helm Komposit, Countur diperbesar (Tampak pada tebal helm bagian atas) Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas, Countur diperbesar (Tampak tebal helm bagian dalam ) Kotak Dialaog untuk Set Grafik Distibusi Tegangan Kotak Dialog XY vs Set Value Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik A) Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas (Lokasi Tegangan dititik B) Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Helm Komposit Impak Samping Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Samping Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Countur diperbesar (Tampak atas)...78

17 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping ( Lokasi Tegangan dititik A) Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B) Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit Impak Belakang Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit Impak Belakang Distribusi tegangan pada helm komposit, countur diperbesar (Tampak tebal helm) Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik A) Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B) Dimensi Busa (foam) Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Impak Atas pada Busa (foam) Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y Impak Atas pada Busa (foam) Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan pada Busa (foam) Impak Atas Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Impak Samping pada Busa (Foam)...86

18 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Impak Samping pada Busa (Foam) Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan pada Busa (Foam) Impak Samping Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y Impak Belakang pada Busa (foam) Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Impak Belakang pada Busa (foam) Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan pada Busa (foam) Impak Belakang Gambar Solid Helm Komposit dilapisi dengan Busa (foam) Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas Distribusi tegangan pada helm komposit dilapisi Busa (Foam) Cuntur diperbesar (Tampak tebal helm) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititika) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititik B)...93

19 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping Distribusi Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar (Tampak tebal helm) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik A) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B) Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang Distribusi Tegangan pada Helm Komposit dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar (Tampak tebal helm) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik A) Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam) Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)...99

20 20 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman Lampiran 1 Detail Bentuk Kepala Kategori Reguler SNI Lampiran BQTN-EX Series Lampiran 3 Polyethylene Foam LD Lampiran 4 Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan Lalulintas Lampiran 5 Undang-undang No.14 tahun 1992 Pasal