analisis kekuatan dan deformasi piston mesin bensin...
Post on 07-Sep-2018
243 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Analisis Kekuatan dan Deformasi Piston Mesin Bensin-Bio Etanol dan Gas dengan Injeksi Langsung untuk Kendaraan
Nasional dengan Simulasi Numerik
Oleh :Moch. Wahyu Kurniawan
2109100072
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya
Latar Belakang
Kebutuhan manusia akan kendaraan khususnya diIndonesia terus meningkat dari tahun ke tahun.
Untuk mengetahui sejauh mana perubahan tersebutterjadi pada piston maka perlu dilakukan pengamatan
Perubahan pada geometri dan dimensi piston akanmengubah kemampuan piston tersebut dalam menerimabeban.
Salah satu langkah pengembangan mobil nasional denganmelakukan modifikasi pada piston.
Rumusan Masalah
Bagaimana distribusi temperatur, tegangan dandisplacement yang terjadi pada masing – masing piston
Bagaimana pengaruh modifikasi piston terhadaptegangan dan deformasi yang terjadi
Bagaimana ketahanan kelelahan (fatigue) masing –masing piston
Berapa angka keamanan masing – masing piston berdasarkan teori kegagalan
Tujuan
Mengetahui ditribusi temperatur, tegangan dandisplacement yang terjadi pada masing – masing piston
Mengetahui pengaruh modifikasi piston terhadaptegangan dan deformasi yang terjadi
Mengetahui ketahanan kelelahan (fatigue) masing –masing piston
Mengetahui angka keamanan masing – masing piston berdasarkan teori kegagalan
Manfaat
Bisa menjadi pertimbangan untukmelanjutkan pengembangan dari penelitianpembuatan kendaraan nasional. Sehinggadengan hal tersebut bisa menghasilkankendaraan nasional yang sesuai dengankebutuhan masyarakat.
Batasan MasalahAnalisis dilakukan secara teoritis dengan strukturdianggap terawat baik
Piston yang dianalisis adalah piston untuk mesin bensin-bio etanol dan gas dengan injeksi langsung jenis Existing dan modifikasi.
Beban yang diterima piston berupa tekanan dantemperatur hasil pembakaran
Properti material homogen
Hasil analisis hanya berlaku untuk masing – masing piston yang dianalisis.
Kajian Pustaka• Penelitian yang dilakukan oleh Kurbet, Kuppast, dan Chalwa (2013) untukmengamati engine noise dengan simulasi numerik pada piston.
• Engine yang diteliti adalah engine diesel Kirloskar• Penelitian ini dilakukan dengan langkah sebagai berikut : Pengumpulan data Memodelkan piston dengan CATIA V5 Simulasi dengan ANSYS 11 Menyajikan hasil simulasi dalam bentuk tabel dan grafik
Gambar teknik piston Kirloskar Model 3D
Kajian PustakaHasil Penelitian yang dilakukan oleh Kurbet, Kuppast, dan Chalwa
Tabel tekanan gas, tegangan von Mises dan x-displacement pada piston
Grafik tegangan von Mises terhadap sudut crank
Grafik gap piston-silinder terhadap sudut crank
Meshing Tegangan von MisesDeformasi sepanjang
sumbu x
Kajian Pustaka
• Penelitian yang dilakukan oleh Ghodake dan Patil tentang penggunaan CAE Tools untuk desain dan analisis piston
• Dilakukan dengan mensimulasikan piston menggunakan tumpuan fixed
support pada kedua lubang boss piston dan beban merata pada bagian crown piston.
• Hasil dari penelitian tersebut didapatkan tegangan ekuivalen sebesar 396 MPa dengan pembebanan sebesar 18 MPa.
Kajian Pustaka
• Penelitian yang dilakukan oleh Gudimetal dan Gopinath (2009) tentang reverse engineering pada piston motor pembakaran dalam.
• Analisis structural dan thermal• Hasil dari penelitian tersebut didapatkan
tegangan ekuivalen sebesar 245,42 MPa dengan pembebanan sebesar 3,02 MPa dan diameter 47,76 mm, sedangkan hasil temperatur terdistribusi antara 3600C sampai 99,4080C .
Dasar TeoriPiston
• Fungsi utama piston adalah mentransmisikan energi hasil pembakaran• Bahan dasar yang dipakai untuk piston pada dasarnya ada dua
macam material utama yaitu paduan aluminium dan besi tuang kelabu• Dalam keadaan operasional maka piston akan mengalami tekanan
besar dan temperatur tinggi
Dasar TeoriKonsep Tegangan Rerangan
Suatu benda menerima gaya luar
Mengalami tegangan internal
AF
xx AV
xy
Dasar TeoriKonsep Tegangan Rerangan
yxxy
xy
y
x
zyzzx
yzyxy
zxxyx
yxxy zyyz zxxz
Tegangan pada elemen 2D
Tegangan pada elemen 3D
Dasar TeoriKonsep Tegangan Rerangan
Ld
xu
x
zw
z
yv
y
xv
yu
21xy
zv
yw
yz
xw
zu
zx
Normal Strain
Shear Strain
Dasar TeoriKonsep Tegangan Rerangan
uDwvu
x0
z
yz0
0xy
z00
0y
0
00x
zx
yz
xy
z
y
x
zyxx E1
zxyy E1
yxzz E1
xyxy G1
yzyz G1
zxzx G1
TxT
Hubungan Tegangan Regangan
Regangan thermal
000111
T
G100000
0G10000
00G1000
000E1
EE
000EE
1E
000EEE
1
wvu
x0
z
yz0
0xy
z00
0y
0
00x
uD
zx
yz
xy
z
y
x
Dasar TeoriTeori Kegagalan
Teori Tegangan Geser MaksimalN
yp 21
Teori Energi Distorsi Maksimal
Kelelahan
Modified Goodman : 1SS E
a
U
m
U
m
aea
S1
Untuk beban yang σm ≠ 0, bisa menggunakan equivalent alternating stress
Dengan pendekatan dengan persamaan Basquin, umur kerja bisa dirumuskan
B
U
eaf S
N
2yp2
22121 N
MetodologiStart
Studi Literatur
Benda Uji : Piston
Perumusan Masalah
Simulasi Numerik
Analisis dengan Teori Kegagalan
Analisis Tegangan, Deformasi dan Temperatur
Analisis Pengaruh Modifikasi Piston
End
Kesimpulan
Aman
Analisis Ketahanan terhadap Kelelahan
MetodologiData Piston Existing
MetodologiData Piston Modifikasi
MetodologiModel Piston Existing
IsometriPotongan
Tampak samping Tampak atas
MetodologiModel Piston Modifikasi
Isometri Potongan
Tampak sampingTampak atas
MetodologiSimulasi
Tipe Analisis : Thermal-Stress AnalysisMaterial : Paduan AluminiumMeshing : Tetrahidron
MetodologiSimulasi
Kondisi batas analisis termal
MetodologiSimulasi
Kondisi batas analisis tegangan
MetodologiSimulasi
Solution• Temperatur• Tegangan• Deformasi• Safety Factor berdasarkan
o Teori tegangan geser maksimal (Maximum Shear
Stress Theory)o Teori distorsi energi maksimal (von Mises Theory).
• Umur kerja (cycle)
No. Ketentuan Piston Existing Piston Modifikasi
1 Loading Type Ratio
2 Loading Ratio 0,0182 0,0165
3 Analysis Type Stress Life
4 Mean Stress Theory Goodman
5 Stress Component Equivalent
Pengaruh Jumlah Elemen terhadap HasilSimulasi pada Piston Existing
• Temperatur → 0,88 % dibanding 1500C• Tegangan → 0,3 % dibanding 100 Mpa
pada 37000 • Displacement → 0,45 % dibanding 0,1 mm
pada 30000
Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Hasil simulasi pada Piston Modifikasi
• Temperatur → 0,26 % dibanding 2800C• Tegangan → 0,13 % dibanding 13 Mpa
pada 23300 • Displacement → 0,7 % dibanding 0,12 mm
pada 17200
Distribusi Temperatur pada Piston Existing
Distribusi Temperatur pada Piston Modifikasi
Distribusi Tegangan pada Piston Existing
Akibat Beban Termal Akibat Beban Mekanik
Total Total
Distribusi Tegangan pada Piston Modifikasi
Akibat Beban Termal Akibat Beban Mekanik
Total Total
Distribusi Deformasi pada Piston Existing
Distribusi Deformasi pada Piston Existing
Deformasi(mm)
Total Arah x Arah y Arah z
Mekanik 0,073 0,113 0,087 0,042Thermal 0,243 0,241 0,054 0,152Kombinasi 0,126 0,227 0,107 0,128
Distribusi Deformasi pada Piston Modifikasi
Distribusi Deformasi pada Piston Modifikasi
Deformasi (mm) Total Arah x Arah y Arah zMekanik 0,004 0,042 0,016 0,023Thermal 0,506 0,487 0,239 0,341Kombinasi 0,298 0,391 0,071 0,298
Pengaruh Modifikasi
• Modifikasi geometri pada bagian – bagian kritis untuk meningkatkan angkakeamanan dan umur kerja
• Penyesuainan besarnya toleransi piston-silinder berdasarkan deformasi• Penambahan desain sistem pendingin untuk mengurangi efek termal
Jenis Existing ModifikasiAngka keamananTeori tegangan geser maksimal
1,34 1,03
Angka KeamananTeori distorsi energi maksimal
1,38 1,05
Umur Kerja (cycle) 4,92 × 105 0,096 × 105
Deformasi pada sumbu x (mm) 0,227 0,391Deformasi pada sumbu y (mm) 0,107 0,071Deformasi pada sumbu z (mm) 0,128 0,298
Kesimpulan• Kesimpulan yang didapatkan dari analisis antara lain :• Pada piston existing temperatur berdistribusi dari 2660C sampai 31,142 0C,
sedangkan pada piston modifikasi temperatur berdistribusi dari 4540C sampai 57,9340C.
• Tegangan maksimal pada piston existing sebesar 201 MPa, sedangkanpada piston modifikasi sebesar 264 MPa.
• Deformasi total pada piston existing sebesar 0,126 mm, sedangkan padapiston modifikasi sebesar 0,298 mm.
• Angka keamanan berdasarkan teori tegangan geser maksimal pada piston existing adalah 1,34 dan pada piston modifikasi adalah 1,03.
• Angka keamanan berdasarkan teori distorsi energi maksimal pada piston existing adalah 1,39 dan pada piston modifikasi adalah 1,05.
• Umur kerja pada piston existing adalah 4,92 x 105 cycle dan pada piston modifikasi adalah 0,096 x 105cycle.
• Perbaikan desain perlu dilakukan untuk meningkatkan kekuatan dan umurkerja piston bisa dengan menambahkan struktur penguat (chamfer) padatitik – titik tempat terjadinya konsentrasi tegangan di daerah skirt.
• Untuk meminimalkan besarnya efek termal bisa dengan menambahkansistem pendingin pada desain piston.
Sekian
Mohon Kritik dan Saran
Terima Kasih
top related