ANALISA KEKUATAN IMPAK HELM SEPEDA MOTOR SNI AKIBAT PEMBERIAN BEBAN IMPAK JATUH BEBAS DAN SIMULASI DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS WORKBENCH V 12.1 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik HENDRA PUTRA BUANA SEMBIRING 070401085 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2012
ABSTRAK Tujuan penelitian ini ialah untuk mendapatkan tegangan, regangan dan juga energi potensial yang mampu diserap oleh helm standar SNI tersebut. Pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna. Helm yang diuji diletakkan pada test rig yang dapat diatur ketinggian jatuhnya. Untuk mengetahui waktu impak, maka pada alat uji dilengkapi dengan 8 buah sensor proximity jenis induktif. Helm akan jatuh dan menabrak dudukan alas uji yang disebut dengan istilah anvil. Gaya yang dihasilkan akan diukur dengan menggunakan alat sensor pengukuran beban yang disebut dengan loadcell yang diletakkan dibawah anvil. Data akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistim data akusisi yang berfungsi untuk merubah bentuk sinyal analog ke bentuk sinyal digital. Akhirnya data akan disimpan dalam PC sebagai gaya (N) dan waktu (ms). Setelah itu dilakukan simulasi dengan menggunakan software ansys dengan cara mendesign model menyerupai bentuk spesimen aslinya, dan memberikan perlakuan yang sama sesuai dengan pengujian secara eskperimental. Dari hasil pengujian dengan cara eksperimental didapat tegangan maksimum dengan menggunakan anvil plat datar 3,677 MPa pada sisi atas dan 4,251 MPa pada sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi tegangan maksimum yang didapat sebesar 3,534 MPa pada sisi atas dan 3,946 MPa pada sisi samping helm. Sedangkan tegangan yang diterima helm dengan menggunakan anvil peluru, besarnya tegangan yang diterima helm melalui pengujian secara eksperimental sebesar 8,267 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Untuk pengujian dengan cara simulasi diperoleh tegangan maskimum sebesar 8,259 MPa dan 9,287 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm. Tegangan maksimum yang diterima helm dengan menggunakan anvil jenis setengah lingkaran diperoleh tegangan sebesar 4,078 MPa dan 3,331 MPa untuk sisi atas dan sisi samping helm dengan cara eksperimental. Sedangkan dengan cara simulasi diperoleh tegangan maksimum sebesar 4,218 MPa untuk sisi atas dan 3,474 MPa untuk sisi samping helm. Kata Kunci: helm standar SNI, alat uji jatuh bebas, Ansys V12.1, tegangan impak
ABSTRACT The purpose of this study was to obtain stress, strain and potential energy that can be absorbed by the SNI standard helmet. Free fall impact test is done using a multipurpose test equipment free fall. Helmets are tested is placed on the test rig can be set altitude fall. To determine the impact of time, then the tester is equipped with 8 pieces of type inductive proximity sensors. Helm will fall and hit the seat pad test called the anvil. The force generated will be measured using a device called a load sensor measures the loadcell placed under the anvil. Data will be transferred from the load cell to a system data acquisition that works to change the form of an analog signal into digital signal form. Finally, the data will be stored in a PC as force (N) and time (ms). After that is done simulation using ANSYS software by designing a model resembling the original specimen, and provide equal treatment in accordance with the testing experimental. From the experimental results obtained by testing the maximum stress by using anvil flat plate on the top 3.677 MPa and 4.251 MPa at the side of the helmet. For testing by simulating the maximum voltage obtained at 3.534 MPa to 3.946 MPa the top and side of the helmet on. While the voltage received by using anvil bullet helmet, helmet magnitude of the voltage received through experimental testing at 8.267 MPa for the top and side of the helmet. To test the voltage obtained by simulation maskimum at 8.259 MPa and 9.287 MPa for the top and side of the helmet. Maximum voltage received the helmet by using anvil type semicircle obtained voltage of 4.078 MPa and 3.331 MPa for the top and side of the helmet by experimental means. While the simulation is obtained by the maximum voltage of 4.218 MPa to 3.474 MPa and the upper side to side of the helmet. Keywords: SNI standard helmet, tool-free drop test, Ansys V12.1, impact stress KATA PENGANTAR
Puji syukur saya ucapkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat kesehatan dan kesempatan sehingga saya dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan judul Analisa Kekuatan Impak Helm Sepeda Motor SNI Akibat Pemberian Beban Impak Jatuh Bebas dan Simulasi Dengan Menggunakan Software Ansys Workbench V 12.1. Tugas sarjana ini merupakan sebagai satu diantara syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik Mesin Program Reguler di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik,. Selama Pembuatan tugas sarjana ini dimulai dari penelitian sampai penulisan, saya banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini saya menyampaikan ucapan terimakasih sebesar-besarnya kepada, 1. Kedua orangtua saya, Ayahanda Agus Rizal Sembiring dan Ibunda Affriyetti Koto yang telah memberikan, do a, nasehat dan dukungan baik moril maupun materil, juga kakak dan adik-adik saya Rima Melinda, Sevtiani Amelia dan Ilham Rinaldi Sembiring yang selalu memberi saya semangat dan memberikan motivasi selama pembuatan tugas sarjana ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku dosen pembimbing Tugas sarjana yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan serta motivasi dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Bapak Dr. Ing-Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik.
4. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin, yang telah memberikan bantuan selama saya mengikuti pendidikan di Program Strata 1 Teknik Mesin Fakultas Teknik. 5. Seluruh teman teman stambuk 2007 dan mahasiswa Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik yang telah banyak memberikan bantuan baik selama perkuliahan maupun dalam pembuatan tugas sarjana ini. Saya menyadari bahwa tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, saya sangat mengharapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian demi kesempurnaan skrispi ini. Semoga tugas sarjana ini bermanfaat bagi perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan. Medan, September 2012 Hendra Putra Buana Sembiring NIM : 070401085
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... ii iii v viii ix BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang... 1 1.2. Perumusan Masalah 3 1.3. Tujuan Penelitian.. 4 1.3.1. Tujuan umum. 4 1.3.2. Tujuan khusus 4 1.4. Manfaat Penelitian. 5 1.5. Sistematika Penulisan.. 5 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan... 7 2.2. Gerak Jatuh Bebas... 7 2.3. Beban Impak... 9 2.3.1. Momentum dan Impuls... 9 2.3.2. Hukum Gerakan Newton... 11 2.4. Tegangan Normal... 11 2.5. Energi Mekanik... 14 2.6. Pengukuran Kekuatan Helm... 15 2.6.1. Uji Jatuh Bebas... 15
2.7. Ansys Workbench V 12.1... 15 2.8. Helm Standar Nasional Indonesia (SNI)... 15 BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu... 18 3.1.1. Tempat... 18 3.1.2. Waktu... 18 3.2. Bahan dan Alat...... 19 3.2.1. Bahan... 19 3.2.2. Peralatan... 20 3.2.2.1. Daq Labjack U3-LV... 29 3.2.2.2. Komputer... 31 3.2.3. Metode... 23 3.2.3.1. Pembuatan Alat Uji Jatuh Bebas... 23 3.2.3.2. Alat Pengukur Beban Dan Gaya Impak... 30 3.3. Variabel Penelitian... 31 3.4. Akusisi Data... 31 3.5. Prosedur Pengujian... 32 3.6. Distribusi Tegangan Akibat Beban Dinamik Melalui Simulasi Komputer... 35 3.7. Kerangka Kegiatan... 42 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pendahuluan... 44 4.2.Pengukuran Beban Impak dan Respon Tegangan Secara Eksperimental... 45 4.2.1. Anvil Plat Datar... 46 4.2.2. Anvil Setengah lingkaran... 50 4.2.3. Anvil Peluru... 54 4.3. Penyerapan Energi Impak... 59 4.3.1. Anvil Plat Datar... 59 4.3.2. Anvil Setengah Lingkaran... 61 4.3.3. Anvil Peluru... 63
4.4.Simulasi Ansys... 64 4.4.1. Anvil Plat Datar... 65 4.4.2. Anvil Peluru... 68 4.4.3. Anvil Setengah Lingkaran... 72 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan... 79 5.2. Saran... 80 DAFTAR PUSTAKA... 81
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 1.1. Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor di Indonesia. 4.1. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil jenis plat datar. 4.2. Data waktu impak ( t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil plat datar. 4.3. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil setengah lingkaran. 4.4. Data waktu impak ( t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil setengah lingkaran. 4.5. Data gaya dan tegangan hasil pengujian helm sepeda motor SNI dengan anvil jenis peluru. 4.6. Data waktu impak ( t) dan Impuls yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil peluru. 4.7. Energi potensial terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil plat datar. 4.8. Energi potensial yang terjadi pada uji impak jatuh bebas helm SNI dengan anvil setengah lingkaran. 1 47 49 52 53 56 58 61 62 4.9. Energi potensial yang terjadi pada uji impak jatuh bebas 64 helm SNI dengan anvil peluru. 4.10. Data hasil pengujian dengan cara eksperimental 76 4.11. Data hasil pengujian dengan cara simulasi 77
DAFTAR GAMBAR Nomor judul halaman 2.1. Batang Prismatik yang Dibebani Gaya Aksial... 12 2.2. Logo SNI pada helm... 16 3.1. Helm Sepeda Motor SNI... 19 3.2. Perangkat Alat Uji Jatuh Bebas... 21 3.3. Rangka Bawah... 21 3.4. Rangka Atas... 22 3.5. Katrol... 22 3.6. Pipa Penyangga... 23 3.7. Pipa Luncur... 23 3.8. Pegas Peredam... 24 3.9. Test Rig... 24 3.10. Landasan... 25 3.11. Loadcell... 26 3.12. Ball end Penetrator... 26 3.13. Anvil Support... 26 3.14. Ring Stopper... 27 3.15. Posisi Peletakan Anvil Support dan Loadcell... 28 3.16. Teplon Base... 28 3.17. Bottom Base... 28 3.18. Sensor... 29 3.19. Pemegang Sensor... 29 3.20. Daq Labjack U3-LV... 30 3.21. Komputer... 30 3.22. Pemasangan Loadcell dan Anvil Support... 32 3.23. Anvil... 33 3.24. Posisi Helm Pada Test Rig... 33 3.25. Posisi jarak Ketinggian dan Sensor Proximity... 33 3.26. Setup Alat Uji Jatuh Bebas... 35 3.27. Langkah Membuat Gambar/Import Gambar... 36 3.28. Gambar Model... 37 3.29. Model Mechanical Ansys... 37
3.30. Jenis Material Model...... 38 3.31. Mesh... 38 3.32. Hasil Mesh... 39 3.33. Analysis Setting... 39 3.34. Fixed Support... 40 3.35. Pemberian Velocity... 40 3.36. Solusi yang Diinginkan... 41 3.37. Kerangka Kegiatan Pengujian... 43 4.1. Luas Daerah Impak... 45 4.2. Hasil uji impak dengan anvil datar posisi atas helm tidak rusak... 46 4.3. Hasil uji impak dengan anvil datar posisi samping helm tidak rusak... 47 4.4. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat datar, Posisi atas helm... 48 4.5. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat datar, Posisi samping helm... 49 4.6. Grafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas Helm sepeda motor SNI dengan anvil plat datar... 50 4.7. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran posisi Atas helm, tidak rusak... 51 4.8. Hasil uji impak dengan anvil setengah lingkaran posisi samping helm, tidak rusak... 51 4.9. Tegangan yang dihasilkan anvil setengah lingkaran, posisi Atas helm... 52 4.10. Tegangan yang dihasilkan anvil setengah lingkaran, posisi Samping helm... 53 4.11. Gafik gaya dan waktu impak pada uji impak jatuh bebas Helm sepeda motor SNI dengan anvil setengah lingkaran... 54 4.12. Hasil uji impak dengan anvil peluru, posisi atas helm Rusak... 55 4.13. Hasil uji impak dengan anvil peluru, posisi samping helm
Rusak... 55 4.14. Kerusakan helm SNI dengan menggunakan anvil peluru... 56 4.15. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil plat peluru, Posisi atas helm... 57 4.16. Tegangan yang dihasilkan dengan anvil peluru, posisi Samping helm... 58 4.17. Grafik gaya dana waktu impak pada uji jatuh bebas helm Sepeda motor SNI dengan anvil peluru... 59 4.18. Energi yang diterima helm dengan anvil datar, posisi Atas helm... 60 4.19. Energi yang diterima helm dengan anvil datar, posisi Samping helm... 60 4.20. Energi yang diterima helm dengan anvil setengah lingkaran Posisi atas helm... 61 4.21. Energi yang diterima helm dengan anvil setengah lingkaran Posisi samping helm... 62 4.22. Energi yang diterima helm dengan anvil peluru, posisi Atas helm... 63 4.23. Energi yang diterima helm dengan anvil peluru, posisi Samping helm... 63 4.24. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas... 65 4.25. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas... 66 4.26. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas... 66 4.27. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping... 67 4.28. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping... 67 4.29. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi samping... 68 4.30. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas... 69 4.31. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas... 69 4.32. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas... 69 4.33. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping... 70 4.34. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping... 71 4.35. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi samping... 71
4.36. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi atas... 72 4.37. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi atas... 73 4.38. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi atas... 73 4.39. Simulasi total deformasi uji tekan dinamik sisi samping... 74 4.40. Simulasi total tegangan uji tekan dinamik sisi samping... 74 4.41. Simulasi total regangan uji tekan dinamik sisi samping... 75 4.42. Diagram tegangan impak, sisi atas... 78 4.43. Diagram tegangan impak, sisi samping... 78