ANALISA FATIGUE LIFE PADA STRUKTUR DUDUKAN BOGIE PADA PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN MONORAIL UTM-125 KAPASITAS 24 TON MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA PDF

Preview

Summary

ANALISA FATIGUE LIFE PADA STRUKTUR DUDUKAN BOGIE PADA PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN MONORAIL UTM-125 KAPASITAS 24 TON MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA M. Awwaluddin1*, J. Istiyanto2, T. N. Kusnan3,T. P. Soemardi4 1 2 4 E-mail : [email protected] , [email protected] , [email protected]....

Description

ANALISA FATIGUE LIFE PADA STRUKTUR DUDUKAN BOGIE PADA PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN MONORAIL UTM-125 KAPASITAS 24 TON MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA M. Awwaluddin1*, J. Istiyanto2, T. N. Kusnan3,T. P. Soemardi4 1

2

4

E-mail : [email protected] , [email protected] , [email protected]

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424 Sawangan Depok, No. Telpon (021) 7270032

ABSTRAK Kelelahan adalah salah satu mode kegagalan pada struktur dudukan bogie yang perlu di amati secara cermat. Analisa kelelahan (fatigue) merupakan suatu cara yang dapat dilakukan untuk memperkirakan risiko terjadinya kerusakan yang diakibatkan oleh beban berulang dan usia dari suatu struktur atau bangunan dalam menerima beban tersebut. Dengan melakukan analisa kelelahan (fatigue), risiko timbulnya kerusakan fatal dapat diperkecil dan suatu struktur/bangunan dapat memenuhi target desain yang telah ditetapkan, termasuk disini adalah bahwa struktur tidak akan mengalami kegagalan dalam berbagai kondisi kerja. Analisis dilakukan menggunakan software ansys dengan pembebanan 118000 N, dengan assumsi beban maksimal akibat live load, angin dan centrfigal. Dari hasil analisis kelelahan pada struktur bogie didapatkan umur struktur minimal 1,1482e5 cycle dan maksimal 1e6 pada desain pertama serta minimal dan maksimal 1e7 cycle pada perubahan desain, sehingga desain struktur perubahan dapat dikatakan aman karena masuk ke dalam high cycle (infinite cycle). Kata kunci : Kelelahan, Fatigue,Kegagalan, Struktur, Monorail.

ABSTRACT Fatigue is one of the failure modes on support bogie structures that need to be monitored carefully. Fatigue analysis is a method that can be performed to estimate the risk of damage caused repeated load and life of structure or building in receiving such loads. By fatigue analyzing, the risk from fatal damage can be minimized and the structure or building to meet design targets that have been set, including here is structure not to be failed in a variety of working conditions. Analysis was performed by ansys software with 118000 N, assumed by liveload, wind load, and centrifugal load. From the fatigue analysis on the bogie structure is available 1,1482e5 cycle of fatigue life minimum and maximum 1e6 for the first design and 1e7 cycle of fatigue life minimum and maximum for refinement design, so the design structure can be said safe because entry in high cycle (infinite cycle). Key word: Fatigue, failure, Structure, Monorail PENDAHULUAN Proses perancangan struktur dudukan bogie merupakan proses yang rumit yang harus mempertimbangkan banyak faktor. Hal itu harus dilakukan untuk menjamin bahwa struktur tersebut mampu memenuhi fungsinya dan dapat bertahan sesuai umur layanan yang diinginkan, dikarenakan struktur dudukan boogie akan terkena

beban dinamis lebih besar dibanding struktur rangka lainnya. Kriteria desain untuk tiap struktur berbeda beda, selain itu kriteria dominan pada suatu daerah menentukan jenis struktur yang akan dipilih. Beberapa mode kegagalan struktur pada dudukan bogie yang umum terjadi adalah, fatigue atau kelelahan struktur

akibat beban berulang sehingga perlu diwaspadai. Kegagalan (failure) pada struktur bisa terjadi mulai dari struktur yang sederhana sampai dengan struktur yang sangat komplek, hal ini dapat mengakibatkan kerugian yang besar dan bahkan sampai mengakibatkan korban Jiwa[2, 3, 4, 5]. Analisa kegagalan (failure analysis) adalah metode yang sering digunakan untuk mengungkap kegagalan dari suatu struktur. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui penyebab failure yang ditimbulkan pada proses disain, proses pemilihan bahan dan prosedur perawatan sehingga kejadian kegagalan yang serupa tidak terulang lagi dan memenuhi kriteria desain yang diinginkan[5]. Dengan analisa tersebut risiko timbulnya kerusakan fatal dapat diperkecil atau dihilangkan. Dalam analisa fatigue life umumnya mengikuti S-N dibawah ini [1].

fatigue life. sehingga disini dipakai pendekatan Stress Life curve (S-N curve) untuk menentukan fatigue life pada struktur dudukan bogie yang dianalisis. Proses perhitungan fatigue life pada ansys menggunakan metode pendekatan S-N curve, yang dapat digambarkan sebagai berikut:

Input  Material used  S-N curve  Asumsi - max - m - a 20% m -R - Time cycle - Cycle  Correction Theory

Proses  m Theory - a effective - Plot a effective ke S-N curve

Output

 N Cycle

Gambar 2. Alur proses analisis fatigue

Pada inputan pertama adalah kita tentukan material yang digunakan dalam struktur yang akan dianalisis, yaitu SS400. Kemudian diinputkan S-N curve material tersebut secara manual ke dalam engineering data ansys, prosesnya seperti yang terlihat dibawah ini:

Gambar 1. S-N diagram plotted from the results of completely reversed axial fatigue test.

Dari diagram diatas dapat dijelaskan bahwa untuk N cycle 100–103 dikategorikan low cycle, 103–106 dikategorikan high cycle namun masih finite cycle, sedangkan diatas 106 dikategorikan infinite cycle. TEORI DASAR PEMODELAN FATIGUE DALAM ANSYS

Gambar 3. Proses meng-input data S-N curve [10] material SS400 secara manual pada ansys

Analisa fatigue dapat dilakukan menggunakan pendekatan metode Stress Life curve atau Strain Life curve. Metode pendekatan Stress Life curve sesuai untuk menentukan high cycle fatigue life, sedangkan metode pendekatan Strain life curve sesuai untuk menentukan low cycle

Alur proses gambar 3. Dapat dijelaskan sebagai berikut: data S-N curve SS400 yang akan di inputkan kedalam engineering data ansys diambil berdasarkan pendekatan penelitan yang telah dilakukan oleh Haftirman[10] dengan standar spesimen menurut ASTM E739 dan ASTM

E466 dalam kondisi humiditas 70%, serta frekuensi pembebanan 1 Hz.

Gambar 5. Grafik pembebanan dengan amplitude konstan

Gambar 4. S-N curve of SS400 for diameter of 8 mm

Data yang diperoleh kemudian diinputkan kedalam engineering data ansys dengan cara membuka engineering data pada analisis structural, kemudian sorot ke arah toolbox lalu pilih life. Kemudian pilih Alternating stress mean stress lalu klik pada tabulasi data. Dalam tabulasi data terdapat kolom yang dapat kita isi sesuai dengan data material untuk kemudian di plot dalam grafik S-N curve material yang dipakai ansys untuk analisis fatigue life nantinya. Langkah selanjutnya kita berikan asumsi sebagai berikut: Load faktor yang diberikan adalah 1 maka tegangan von-mises (vm) sama dengan tegangan maksimumnya (max), sehingga vm = max = 2,1589e7 Pa (berdasarkan hasil Von-misses pada pembebanan statis). Karena max=vm = m + a maka dengan asumsi tegangan alternatingnya (a) 20 % dari tegangan rata rata (m), didapatkan: max = m + 0,2 m Sehingga max = 1,2 m  m = max/ 1,2. Jika nilai max dimasukkan persamaan akan didapatkan nilai m sebesar 1,7991e7 Pa. Dikarenakan a = 0,2 m, maka di dapatkan nilai a sebesar 3,5980e6 Pa. Nilai rasio (R) ditentukan dengan cara: R= min / max, dengan rumus min = m - a maka di dapatkan nilai min = 1,4393e7 Pa. Jika nilai min dan max dimasukkan dalam rumus R, maka didapatkan nilai R = 0,67. Asumsi berikutnya adalah satu cycle berlangsung selama 1 detik, hal ini berarti frekuensi pembebanan yang diberikan adalah 1 Hz.

Data a yang dihasilkan pada tahap inputan ini tidak bisa dimasukkan langsung pada curva S-N sehingga diperlukan sebuah teori koreksi untuk mendapatkan a effective. Dalam analisis ini ditentukan m correction theory menggunakan Gerber mean stress theory untuk mendapatkan a effective dikarenakan cocok untuk material ductile seperti SS400 [11]. Untuk menghitung a effective berdasarkan Gerber correction teory digunakan rumus: a effective = a (Su2/( Su2-m2)). Jika a = 0,2 m , Su= 657 MPa ( berdasarkan Tensile Ultimate Strength SS400) , m = 1,7991e7 Pa maka kita dapatkan nilai a effective= 3,5982e6 Pa. hasil interpolasi a effective inilah yang akan di plot oleh ansys pada grafik S-N curve untuk menentukan nilai fatigue life. Hasil perhitungan a effective secara manual jika di plotkan pada S-N curve SS400 dapat dilihat dibawah ini:

Hasil perhitungan manual a effective sebesar 0,0359 Mpa jika plotkan kedalam grafik maka posisinya jauh di bawah batas nilai minimal a SS400 sehingga dalam ansys umur fatiguenya akan dibaca 1e7

0,0359

Gambar 6. Plotting a effective hasil perhitungan manual ke dalam S-N curve untuk menentukan fatigue life

Dikarenakan hasil perhitungan manual a effective sebesar 0,0359 Mpa jika plotkan kedalam S-N curve SS400 maka posisinya jauh di bawah batas nilai minimal a SS400 sehingga dalam ansys umur fatiguenya akan dibaca 1e7 cycle. Tahapan selanjutnya adalah proses perhitungan untuk mencari a effective. a.effective adalah a setelah adanya faktor koreksi, disini koreksi yang dipakai adalah menurut gerber, tahapan yang terjadi pada ansys meliputi: 1. Mengambil referensi tegangan yang berasal dari analisis statis berupa tegangan von-mises (vm) 2. Memodifikasi S-N curve berdasarkan inputan berupa: fatigue strength factor dan tipe interpolasi 3. Mengenerate siklus pembebanan fatigue berupa( max, m, min, a) yang didasarkan pada inputan m effects. 4. Menghitung mean stress correction untuk men generate equivalent alternating stress yang didasarkan pada inputan m effects. 5. Plot equivalent m ke S-N curve yang didasarkan pada inputan tipe interpolasinya. 6. Mengidentifikasi stress pada model 7. Menentukan fatigue life ke desain yang ditentukan ( infinite life). 8. Memodifikasi siklus pembebanan fatigue yang didasarkan pada inputan skala pembebanan 9. Menghitung hysteresis yang didasarkan pada strain life Setelah tahapan proses adalah output yang berupa fatigue life pada tampilan ansys.

METODOLOGI PENELITIAN Dalam proses analisis fatigue mengikuti diagram alir sebagai berikut: Mulai

Pemodelan geometry(input struktur, meshing, load) Hasil FEM ansys statik untuk structural awal Input Beban fatigue ( m, a, R, Freq) & data base S-N curve material yang digunakan

tdk

a effective Gerber Correction Searching N(cycle) dengan cara plot a effective pada S-N curve material yang digunakan

N (cycle) 10 6 ?

Ya Analisa hasil Kesimpulan Selesai Gambar 7. Diagram Alir Analisis Fatigue

Dari diagram alir dapat dijelaskan bahwa proses analisis fatigue dimulai dari menentukan spesifikasi gemometry yang akan dianalisis, meliputi : ukuran, bentuk dan material yang digunakan. Kemudian dilakukan pemodelan geometry seperti yang akan dijelaskan pada bagian pemodelan elemen hingga. Langkah selanjutnya adalah meshing model. Pada tahap ini kita tentukan metode meshing yang akan digunakan baik otomatis (by default ansys) atau manual setting untuk selanjutnya kita generate. Tahapan setelah meshing model adalah kita tentukan batasan kondisi ( support) serta pembebanan yang diberikan yang akan dijelaskan pada bagian pemodelan pembebanan dan support. Tahapan berikutnya adalah kita berikan asumsi yang berupa max , m, R, F, serta mean stress yang digunakan dalam hal ini digunakan Gerber mean stress theory dikarenakan cocok untuk material ductile. Dari hasil perhitungan didapatkan asumsi R 0,67 dan

F 1 Hz, untuk tiap Cycle. Pada tampilan ansys dapat dilihat seperti dibawah ini:

Gambar 9. Grafik perbandingan hasil perhitungan manual dengan software ansys dalam penentuan fatigue life. Gambar 8. Asumsi yang dimasukkan dalam ansys

Pada gambar 7 dapat dijelaskan bahwa asumsi yang dapat dimasukkan dalam ansys adalah nilai R berdasarkan hasil perhitungan didapatkan nilai 0,67, kemudian diinputkan pada kolom loading type ratio dan loading ratio sebesar 0,67. Untuk menginputkan nilai waktu sebesar 1s dapat dimasukkan pada kolom definition display time sebesar 1s. untuk menentukan teori koreksi maka dapat dimasukkan pada kolom mean stress theory untuk diisi gerber, tipe analisisnya adalah stress life, dan stress komponennya adalah equivalent von-mises. Untuk menentukan cycle nya dapat di inputkan pada kolom life unit, unit name untuk diisi cycle dengan 1 cycle is equal to 1 cycle. Hal ini dapat dijelaskan bahwa tiap 1 cycle berlangsung selama 1s, yang berarti frekuensi pembebanannya adalah 1 Hz. Selanjutnya kita lakukan proses running solution ( generate result) pada tahap ini akan didapatkan m , a effective, yang kemudian oleh ansys akan di plot ke kurva S-N pada inputan tipe interpolasinya sehinga keluar data berupa fatigue life pada tampilan ansys setelah tahapan tahapan diatas dilalui. Hasil perbandingan perhitungan manual dengan perhitungan menggunakan software ansys dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Dari gambar 9. Dapat dijelaskan bahwa hasil perhitungan manual sebesar 3,59e6 Pa tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan pada software ansys sebesar 3,56e6 Pa. Sehingga nilai fatigue life yang dilihat pada tampilan ansys sebesar 1e7 cycle, dikarenakan nilai a effective yang dihasilkan jauh dibawah nilai a S-N curve SS400. Langkah berikutnya adalah validasi, apakah terjadi error atau tidak, serta hasilnya sudah memenuhi atau belum, jika terjadi error atau tidak memenuhi maka proses akan diulang kembali, jika sudah tidak error dan memenuhi kriteria maka dilanjutkan kepada analisa hasil dan kesimpulan untuk kemudian proses selesai. PEMODELAN ELEMEN HINGGA Pemodelan elemen hingga (finite element modeling) dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan nilai tegangan pada struktur yang dimodelkan. Pemodelan elemen hingga untuk struktur dudukan bogie dilakukan dengan menggunakan software solid work dan inventor untuk kemudian di importkan ke dalam software analisa elemen hingga (finite element analysis, FEA) ANSYS 14.0 tahun 2012. Desain pertama mengikuti desain yang telah di tetapkan oleh PT. MBW [6] dan desain kedua dilakukan perubahan pada supportnya. Material yang digunakan untuk struktur dudukan bogie adalah SS 400 [7, 8]. Data struktur dapat dilihat pada tabel 1. Serta gambar struktur dudukan bogie dapat dilihat pada gambar 10.

Tabel 1. Profil dan Dimensi Struktur Dudukan bogie No 1 2 3

4 5 6 6

Keterangan mp tgh cross channel: 1 dan 2 mp tgh spring pad: 1, 2, 3, 4 mp tgh spring pad stiffener: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. mp tgh bolster pad: 1 mp tgh cross flat bar: 1, 2, 3, 4 mp tgh cross channel beam : 1, 2 mp tgh cross channel beam revision: 1, 2

Dimensi UNV 150 mm, l = 1900 mm t = 20 mm, l = 100 mm, p= 260 mm Segitiga, t = 150 mm, a = 80 mm,

Dari hasil meshing pada ansys didapatkan jumlah elemen sebanyak 265741 dan node sebanyak 483751 dan degree of freedom sebanyak 1451253. Selain itu juga dilakukan pengecekan terhadap kualitas element yang dihasilkan. Hasil pengecekan kualitas element dapat dilihat pada gambar 12. Dibawah ini:

Square 380 mm p= 685 mm, l= 52 mm Siku 60, p= 250 mm Pelat p= 230 mm, l= 60 mm, t = 15 mm

Gambar 12. Grafik kualitas element

Dari hasil grafik kualitas element dapat dijelaskan bahwa kualitas elemennya baik, hal ini dapat dilihat dengan arah grafik yang mendekati nilai satu. Dengan hasil kualitas yang demikian maka dapat diteruskan kelangkah berikutnya yaitu pembebanan fatigue dan diteruskan ke langkah solution PEMODELAN SUPPORT

PEMBEBANAN

DAN

Gambar 10. Struktur dudukan bogie MESHING MODEL Sebelum proses analisis dilakukan maka langkah setelah pemodelan adalah melakukan proses meshing pada struktur dudukan bogie sesuai dengan tahapan analisis pada software ansys[9] dan diagram alir analisis fatigue. Hasil meshing dapat dilihat pada gambar 11. Dibawah ini:

Gambar 11. Hasil meshing pada ansys.

Pembebanan struktur dudukan bogie dirancang dengan perhitungan bahwa beban yang diterima adalah 12 ton. Perhitungan ini didasarkan pada beban maksimal yang ada di gerbong adalah berkisar 24 ton dan dibagi kedalam dua struktur dudukan bogie. Beban terdiri dari: beban hidup (life load), beban angin, Equipment load, dan longitudinal load. Struktur dudukan bogie di support pada bagian bawah yang akan terhubung dengan bogie. Support arah samping diberikan sebagai assumsi adanya tiang pada struktur dudukan bogie sebagai penguat gerbong monorail. Pemodelan dapat dilihat pada gambar 13. Dibawah ini.

Support and Loading

1

2

Support Live load 12 Ton Centrifuge load 10 Ton Wind load 8 Ton

Fatigue Life

Support asumsi berat penumpang plus equipment 24Ton, maka 1 frame dudukan Boogie menerima beban 12Ton.

Support Support

Gambar 13. Pemodelan beban dan support.

HASIL ANALISIS Solusi di atur bahwa 1 cycle berlangsung selama 1 detik dengan toleransi pembebanan plus minus 20 %. Hasil solusi pertama dapat dilihat pada gambar 14. dibawah ini:

Fatigue Life

Life Max: 1e6 cycle Life Min : 19674 cycle

Gambar 15. Hasil solusi 2 fatigue life pada desain lama Perbaikan desain dilakukan dengan melakukan chamfer pada area dua dan didapatkan hasil fatigue life max 1e6 cycle dan fatigue life min 45475 cycle. Dari hasil memang menunjukkan kenaikan namun masih dalam batas low cycle sehingga harus dilakukan perbaikan. Hasil solusi 3 dapat dilihat pada gambar 16 dibawah ini: 2

3

Life Max: 1e6 cycle Life Min : 15703 cycle

Fatigue Life

Gambar 14. Hasil solusi 1 fatigue life pada desain lama

Dari hasil solusi pertama didapatkan life max sebesar 1e6 cycle, namun masih didapatkan life minimal sebesar 15703 cylce yang artinya masuk kategori low cycle sehingga perlu dilakukan perubahan desain dan proses diulang seperti awal. Perubahan dilakukan dengan memberikan chamfer pada daerah yang low cycle dan hasilnya dapat dilihat pada gambar 15. Setelah dilakukan champer ternyata life minimalnya naik menjadi 19674 cycle. Daerah life minimalnya juga berpindah sehingga perlu dilakukan perbaikan lagi pada area tersebut.

Life Max: 1e6 cycle Life Min : 45475 cycle

Gambar 16. Hasil solusi 3 fatigue life desain lama 3

4

Fatigue Life

Life Max: 1e6 cycle Life Min : 98317 cycle

Gambar 17. Hasil solusi 4 fatigue life desain lama

Pada solusi 4 seperti pada gambar 17. telah dilakukan perubahan pada desain solusi 3 namun masih dalam batas low cycle sehingga perlu dilakukan perubahan desain seperti pada solusi 5. Hasil solusi lima dapat dilihat pada gambar dibawah ini: 4

perbaikan yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini: 1

Total Deformasi

2

5 No

Total deformasi (mm)

1

0.7501

2

0.75168

3

0.75315

4

0.66702

5

0.67419

Total deformasi (mm)

5

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1

3

2

3

4

5

4

Fatigue Life Gambar 20. Hasil solusi total deformasi untuk setiap tahapan perbaikan. Life Max: 1e6 cycle Life Min : 1,1482e5 cycle

Gambar 18. Hasil solusi 5 fatigue life pada desain lama Dari hasil solusi 5 dapat dilihat bahwa fatigue life minimal adalah 1,1482e5 cycle yang berarti sudah masuk kedalam high cycle ( finite life). Selain dilakukan solusi untuk fatigue life juga dilakukan solusi untuk mengetahui nilai von-misses stress nya pada analisis fatigue untuk setiap tahapan dan hasilnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

No 1 2 3 4 5

Equivalent von- Equivalent misses stress von-misses (max) stress (min) 2,2966e8 3952.6 2,1503e8 5512.7 1,7107e8 2826.1 1,3864e8 3270.6 1,3284e8 2988.1

3

Equivalent von-misses stress

Tabulasi data equivalent von-misses stress akibat pembebanan statis selama 1 detik dengan 5 step adalah sebagai berikut:

2

Grafik Von-Misses Stress

5