landasan teori - digilib uns

7

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Prinsip Kerja dan Fungsi

Crash test membutuhkan penyerapan energi secara bertahap untuk

mengurangi peak load dan akselerasi yang diberikan kepada pengemudi. Ini

menyatakan bahwa kekakuan yang lebih rendah diinginkan agar energi diserap

selama benturan [17]. Impact attenuator, perangkat penyerap energi yang dapat

dideformasi yang terletak di depan Front Bulkhead [1] dipasang di bagian depan

mobil untuk mencapai tujuan ini. Ini adalah bagian penting dari kendaraan Formula

SAE dan merupakan struktur yang sangat vital dari mobil karena merupakan

"penghalang keselamatan antara pengemudi dan permukaan yang terkena dampak"

[6].

Performa kecelakaan telah menjadi salah satu bidang utama studi

keselamatan pasif otomotif [18]. Berdasarkan pengalaman masa lalu, diyakini

bahwa kemungkinan kendaraan menabrak benda padat, seperti trotoar atau dok

pemuatan sangat tinggi [19]. Persyaratan fungsional FSAE dari impact attenuator

adalah: ketika perangkat dipasang di bagian depan kendaraan dengan massa total

300 kg, perlambatan rata-rata dan perlambatan puncak masing-masing tidak boleh

lebih dari 20g dan 40g ketika kendaraan melaju dengan kecepatan konstan 7 m/s.

Total energi yang diserap harus setidaknya 7350 Joule [1]. Gambar 2.1 berikut

adalah salah satu contoh desain impact attenuator.

Gambar 2.1 Impact Attenuator [20]

commit to user

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

8

Biasanya, ketika kecelakaan terjadi, cedera fisik terjadi ketika deformasi

sistem biologis berada di luar batas penahan yang dapat menyebabkan kerusakan

pada fitur anatomi tubuh pengendara [21]. Sebuah studi parametrik tentang risiko

cedera dalam tabrakan mobil balap yang dirancang untuk penyelesaian Europe

Formula Student disajikan oleh Davies et al [21]. Motivasi untuk melakukan

penelitian ini adalah karena fakta bahwa dalam kompetisi ini hanya sebatas menilai

keselamatan pengemudi yang diperlukan saja [21]. Sebagaimana dibahas dalam

makalah ini, FSAE rules sengaja disatukan untuk memberikan fleksibilitas dalam

merancang impact attenuator.

Ada juga batasan geometri dalam desain impact attenuator. Panjang

minimum adalah 200 mm dan harus memiliki tinggi setidaknya 100 mm dan lebar

200 mm untuk jarak maksimum 200 mm ke depan sekat depan [1]. Jika terjadi

benturan, maka perangkat tersebut harus tidak menembus sekat depan dan tidak

boleh menjadi bagian dari struktur bodywork, melainkan dipasang dengan aman

dan langsung ke sekat depan [1]. Ketika dampak off-center dan off-axis terjadi,

sangat penting bahwa ada jalur beban yang cukup untuk beban transversal dan

vertikal[21],[22]. Lebih lanjut dinyatakan dalam peraturan bahwa pada semua

mobil balap, pelat anti-intrusi harus dimasukkan. Ini dapat dibuat dari baja padat

1,5 mm atau aluminium padat 4,0 mm. Selain itu, semua benda yang tidak boleh

dihancurkan seperti main hoop, baterai, reservoir hidraulik harus diletakkan di

belakang sekat karena tidak boleh berada di zona impact attenuator [1].

2.2 Riset Material Terdahulu

Dynamic Test dilakukan untuk menentukan kapasitas daya serap energi dari

impact attenuator selama tabrakan berlangsung [8]. Metode yang paling umum

digunakan untuk pengujian impact attenuator adalah drop test [20]. Drop test

dilakukan dengan menjatuhkan benda yang massa dan ketinggiannya diketahui

pada impact attenuator dengan mengukur deformasi spesimen [23]. Untuk menguji

impact attenuator, metode yang dilakukan adalah dengan menjatuhkan beban dari

ketinggian yang telah dihitung dan ditentukan [7]. Jadi dalam konteks itu

Abrahamson et al [20] menguji dua spesimen impact attenuator yang dirancang

sesuai dengan aturan FSAE 2010, dengan metode uji menjatuhkan objek bermassa

commit to user


9

berat. Dimensi spesimen pertama adalah (10 x 8 x 5 inci) sedangkan dimensi

spesimen kedua adalah (10 x 10 x 4 inci). Kedua spesimen terbuat dari aluminium

honeycomb PlGAPCGA-XR1-5.2-1 / 4-P-3003. Selanjutnya Tes dilakukan dengan

menggunakan benturan massa 661 lb. Massa benturan dijatuhkan dari ketinggian

8.3 kaki dengan kecepatan benturan di atas 23ft / detik. Peak deceleration dan mean

deceleration dari spesimen pertama adalah 46,88 G dan 17,86 G, sedangkan

spesimen kedua yang sama adalah 36,2 G dan 14 G.

Biaya pengembangan dan pengujian desain baru dalam hal keselamatan dapat

dikurangi dengan menggunakan komputasi simulasi kecelakaan [3], [24]. Kondisi

keselamatan kendaraan dapat ditentukan dengan mensimulasikannya dalam kondisi

aktual [25], [26]. FEA (Finite Element Analysis) adalah alat yang berguna untuk

menentukan kondisi penghancuran impact attenuator [5]. Beberapa peneliti telah

melakukan berbagai uji simulasi untuk menyelidiki kondisi impact attenuator

terhadap pengaruh yang dihasilkan.

Peneliti, Williams et al. [10] menyelidiki kondisi tumbukan dari bagian depan

mobil sport Caterham 7. Simulasi terperinci dilakukan dengan menggunakan model

kendaraan elemen hingga untuk mereplikasi uji hambatan kaku dalam kode analisis

elemen hingga ANSYS LS-DYNA3D. Ini memberikan pemahaman tentang

peristiwa dampak keseluruhan serta kontribusi masing-masing komponen. Sebagai

hasilnya, korelasi yang sangat baik dicapai antara hasil tes dan simulasi.

Gambar 2.2 Model Shell Aktual dan Prediksi Caterham 7 [10]

Lebih lanjut, Hamidreza et al. [2], mendesain crash absorber yang optimal.

Hal ini melibatkan uji eksperimental tabrakan aksial dan sudut miring dari tabung.

Korelasi dilakukan dengan LS-DYNA memberikan hasil yang memuaskan. Teknik

commit to user


10

multi-desain optimisasi (MDO) telah diterapkan untuk memaksimalkan penyerapan

energi dan penyerapan energi spesifik tabung persegi, persegi panjang dan

lingkaran.

Di sisi lain, David et al. [26], menganalisis dampak frontal dari kendaraan

Formula SAE. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengevaluasi risiko cedera

pada pengemudi selama skenario tabrakan frontal. Lebih dari itu, analisis ini

menekankan pentingnya memiliki desain headrest yang baik untuk menyerap

energi terhadap dampak pada kepala pengemudi. Juga disarankan bahwa untuk

meminimalkan cedera pengemudi, tabung harus dipasang dengan aman pada jarak

yang masuk akal dari kaki pengemudi.

Setelah itu Heimbs et al. [11], menyelidiki kondisi tabrakan kerucut nose

struktur impact mobil balap F1. Mereka mengembangkan model elemen hingga

untuk simulasi dinamis dengan LS-DYNA dengan penekanan pada pemodelan

material komposit. Dalam hal mekanisme penghancuran, energi yang diserap serta

tingkat perlambatan, hasil numerik dibandingkan dengan data uji tabrakan.

Belakangan, Jovan et al. [3], dalam karya mereka mendemonstrasikan

perbandingan impact attenuator, sebagai struktur independen dan perakitan

lengkap dengan bodi mobil. Model geometrik lengkap struktur kendaraan dibangun

dalam perangkat lunak pemodelan 3-D CATIA sesuai dengan persyaratan desain

aturan SAE 2008. Simulasi peristiwa kecelakaan dilakukan dalam Radioss Code.

Studi ini mengungkapkan bahwa kedua struktur menunjukkan perilaku

penghancuran yang sama dan memiliki tingkat penyerapan energi yang sama di

paruh pertama simulasi sementara pada akhir simulasi impact attenuator terkait

dengan struktur rangka lebih banyak berubah bentuk dibandingkan dengan struktur

independen. Setahun kemudian, dalam karya selanjutnya Belingardi et al. [24]

menunjukkan bahwa komposit serat karbon berkinerja sangat baik dalam

kecelakaan. Penelitian ini melibatkan merancang impact attenuator untuk mobil

Formula SAE. Perilaku tabrakan bahan komposit rapuh dipelajari menggunakan

model analitik sederhana dan model elemen hingga. LS-DYNA digunakan untuk

memprediksi pola tabrakan serta kekakuan dari impact attenuator.

commit to user


11

Gambar 2.3 Posisi Dua Struktur Selama Pembebanan Kejut [3]

Dalam karya terbaru Mayank et al. [5], diusulkan penggunaan impact

attenuator berbentuk kuboid pada kendaraan penumpang. Pemodelan geometrik

dari impact attenuator dilakukan dalam perangkat lunak pemodelan 3-D

SolidWorks dan simulasi dilakukan dalam perangkat lunak elemen hingga ANSYS.

Dalam analisis dua bahan yaitu, lembaran Besi Galvanis (lembaran GI) dan

Aluminium 2024 lembar dengan ketebalan 1 mm dipertimbangkan. Hasil yang

diperoleh dari analisis menunjukkan besarnya maksimum percepatan puncak,

deselerasi puncak dan kecepatan dampak di bawah batas yang dapat diterima dan

kurang dari 20 G.

2.3 Crashworthiness

Pengertian crashworthiness secara umum adalah ketahanan struktur terhadap

tabrakan. Pentingnya crashworthiness didalam dunia transportasi telah diaplikasikan

di berbagai negara maju. Pada bidang otomotif, hampir semua produsen mobil telah

melakukan uji crashworthiness terhadap kendaraan jenis terbaru sebelum

menjualnya ke konsumen, contohnya subaru yang baru-baru ini melakukan uji

crashworthiness untuk model mobil terbarunya.[27]

Ada dua kriteria yang harus dipenuhi oleh mobil untuk memenuhi

crashworthiness : (i) Kompartemen penumpang tidak berubah bentuk dan tidak

ada intrusi benda luar yang bisa membahayakan penumpang. (ii) Tersedianya jarak

deformasi di depan kompartemen penumpang sehingga deselarasi berlebihan pada

penumpang dapat dicegah.

commit to user


12

Pada mobil untuk melindungi bagian kompartemen penumpang karena

tabrakan dibagian depan dipasang sistem bumper. Sistem bumper ini akan menyerap

energi tumbukan akibat tabrakan dengan cara berdeformasi. Dengan berdeformasi,

sistem bumper dapat mengurangi kerusakan pada kompartemen penumpang yang

mengakibatkan penumpang terluka serta memberikan perlambatan yang berada pada

tingkat aman terhadap tubuh penumpang.

Sistem bumper terdiri dari frontal bar dan longitudinal. Ketika tabrakan

didepan terjadi frontal bar menyalurkan energi tumbukan. Energi tersebut

kemudian diserap oleh longitudinal, dengan cara deformasi plastis berupa lipatan-

lipatan berulang pada longitudinal.

Gambar 2.4 Uji Crashworthiness pada Mobil [28]

2.4 Tumbukan

Dalam evolusi teori impact, empat aspek utama muncul sebagai subjek yang

berbeda (tetapi tidak berhubungan). Bergantung pada karakteristik impact

(kecepatan, bahan), asumsi yang dibuat dan hasil yang dicari, satu aspek akan

menjadi lebih dominan daripada yang lain sehingga mengarah pada pendekatan

solusi untuk analisis dampak. Keempat aspek tersebut [29] ada empat aspek dalam

masalah tumbukan yaitu : (i) Mekanika klasik, (ii) Propagasi gelombang elastik,

(iii) Mekanika Kontak, (iv) Deformasi Plastis

2.4.1 Mekanika Klasik

Mekanika klasik ini dalam teorinya menggunakan penerapan hukum

mekanika yang digunakan untuk memprediksi kecepatan setelah terjadi tumbukan.

Inti dari pendekatan ini dibentuk dengan Hukum impuls-momentum. Sebagian

commit to user


13

besar engineer kini dapat mengakses sifat aljabar metode ini yang membuat

pengembangan matematika. Hilangnya energi yang melekat pada proses tumbukan

nyata diperhitungkan dengan menggunakan koefisien restitusi. Keakuratan

koefisien ini sangat penting untuk mendapatkan hasil yang baik. Sayangnya,

pendekatan ini tidak dapat memprediksi kekuatan kontak antara bodi atau tekanan

didalamnya.

2.4.2 Propagasi Gelombang Elastik

Merupakan tumbukan yang disertai dengan gelombang tegangan yang

merambat di benda yang mengalami tumbukan dimana menjauhi daerah tempat

terjadinya tumbukan. Jika energi yang diubah menjadi getaran menjadi fraksi

penting dari total energi, maka pendekatan mekanika klasik menjadi tidak cukup

untuk memeriksa masalah tumbukan ini. Pendekatan ini digunakan pada

tumbukan pada batang arah longitudinal, tumbukan suatu benda penumbuk pada

batang dan untuk mengetahui efek viskoelastis pada perilaku tumbukan.

2.4.3 Mekanika Kontak

Tegangan (Stress) kontak yang dihasilkan dari tumbukan dua benda telah

menjadi bidang lain yang menarik dalam studi tentang tumbukan. Mekanika

kontak konvensional terutama berkaitan dengan kontak statis meskipun sudah

diperluas mendekati solusi ketika melibatkan tumbukan. Untuk permukaan bola ,

digunakan teori Hertz untuk mendapatkan hubungan antara gaya dengan deformasi

yang diperlukan untuk menghitung waktu yang diperlukan dan perpindahan

maksimum pada saat terjadi tumbukan. Pendekatan ini telah diperluas untuk kasus-

kasus yang melibatkan deformasi plastis, umumnya dengan asumsi bahan yang

digunakan memiliki titik leleh. Model numerik dari zona kontak juga digunakan

ketika teori Hertz tidak berlaku. Persamaan deformasi gaya sering ditambah

dengan istilah redaman untuk mencerminkan disipasi di bidang kontak, sehingga

memungkinkan kita untuk memodelkan area kontak secara efektif sebagai sistem

peredam pegas.

2.4.4 Deformasi Plastis

Ketika regangan plastis melampaui skala deformasi yang terkandung, model

propagasi gelombang elastis tidak lagi dapat diterapkan untuk menganalisis

masalah tumbukan. Ini adalah domain dari dampak kecepatan tinggi yang

commit to user


14

umumnya dikaitkan dengan bahan peledak dan proyektil. Dalam teori

hidrodinamik, deformasi permanen dianggap sebagai hasil dari perubahan

kepadatan tubuh. Persamaan keadaan untuk material yang menghubungkan

tekanan dengan perubahan densitas dan suhu atau entropi digunakan bersama

dengan hukum kekekalan momentum, energi, dan massa. Dalam teori propagasi

gelombang elastik, bahan tersebut dianggap tidak dapat dimampatkan dalam

domain plastik. Juga, persamaan keadaan yang menghubungkan tegangan,

regangan dan laju regangan diasumsikan tidak tergantung pada suhu.

2.5 Dasar Metode Elemen Hingga

Aplikasi Metode Elemen Hingga sebagai salah satu metode numerik untuk

menyelesaikan berbagai permasalahan rekayasa tentu saja tidak terlepas dari

perkembangan komputer dengan berbagai bidang terkait lainnya seperti Computer

Aided Design (CAD) dan Computer Aided Engineering (CAE) terus menerus

menjadi konsentrasi yang diminati bidang rekayasa. Hal ini dapat dibuktikan dari

makin ramainya penawaran berbagai perangkat lunak metode elemen hingga

dengan beragam kemampuan rekayasa yang berkemampuan tinggi untuk

memenuhi tantangan dan permintaan dari kalangan industry dalam membantu

menyelesaikan masalah-masalah aktual mereka.

Pada penggunaannya, secara umum perangkat lunak metode elemen hingga

memiliki tiga tahapan utama, yakni: (i) Preprocessing, (ii) Analysis, (iii) Post-

Processing.

2.5.1 Preprocessing

Pada tahap ini pengguna membuat model yang menjadi bagian untuk

dianalisis yang mana geometri tersebut dibagi-bagi menjadi sub-bagian-sub- bagian

yang terdiskritisasi atau disebut “elemen”, dihubungkan pada titik diskritisasi yang

disebut “node”. Node tertentu akan ditetapkan sebagai bagian melekat yang kaku

(fix displacement) dan bagian lain ditentukan sebagai bagian kena beban (load).

2.5.2 Analysis

Pada tahap ini data-data yang dimasukkan pada tahap preprocessing

sebelumnya akan digunakan sebagai input pada code elemen hingga untuk

membangun dan menyelesaikan sistem persamaan aljabar linier atau nonlinier.

commit to user


15

k . (x) = F (2.1)

Dimana x dan F merupakan displacements dan gaya luar yang diberikan pada

suatu titik. Informasi matrix k tergantung pada tipe persoalan yang sedang terjadi,

dan modul akan mengarah pada pendekatan analisis truss dan tegangan linier

elastis. Perangkat lunak berbayar sudah memiliki kemampuan lebih yang mampu

menyelesaikan banyak tipe persoalan.

2.5.3 Post-Processing

Menampilkan hasil akhir setelah penganalisisan oleh modul penganalisis

dengan menampilkan data displacements dan tegangan pada posisi bagian yang

terdiskritisasi pada model geometri. Post-processor biasanya menampilkan grafis

dengan kontur warna yang menggambarkan tingkatan tegangan yang ternjadi pada

model geometri. (Saeed Moaveni, 1999)

Perangkat lunak metode elemen hingga ada yang merupakan perangkat lunak

berbayar (commercial FEA software) dan ada pula perangkat lunak yang tidak

berbayar (free FEA software).

Metode Elemen Hingga (Finite Element Method) adalah salah satu metode

numerik untuk menyelesaikan berbagai problem rekayasa, seperti mekanika

struktur, mekanika tanah, mekanika batuan, mekanika fluida, hidrodinamik,

aerodinamik, medan magnet, perpindahan panas, dinamika struktur, mekanika

nuklir, aeronautika, akustik, mekanika kedokteran dan sebagainya.

Struktur rangka batang dimana batang-batang antara dua titik hubung yang

membentuk elemen rangka secara otomatis diperlakukan sebagai elemen hingga

seperti yang terlihat pada gambar 2.3, sedang gambar 2.4 menunjukan diskretisasi

benda pejal umum yang keduanya dianalisis dengan metode elemen hingga.

Tujuan utama analisis dengan menggunakan metode elemen hingga adalah

untuk memperoleh pendekatan tegangan dan peralihan (displacement) yang terjadi

pada suatu struktur (Indrakto, Rifky. 2007)

2.6 Tipe-Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga

Terdapat berbagai tipe bentuk elemen dalam metode elemen hingga yang

dapat digunakan untuk memodelkan kasus yang akan dianalisis, yaitu :

commit to user


16

2.6.1 Elemen satu dimensi

Elemen satu dimensi terdiri dari garis (line). Tipe elemen ini yang paling

sederhana, yakni memiliki dua titik nodal, masing-masing pada ujungnya, disebut

elemen garis linier. Dua elemen lainnya dengan orde yang lebih tinggi, yang umum

digunakan adalah elemen garis kuadratik dengan tiga titik nodal dan elemen

garis kubik dengan empat buah titik nodal.

a. Kubik b. Kuadratik c. Linier

Gambar 2.5 Elemen Satu Dimensi [3]

2.6.2 Elemen dua dimensi

Elemen dua dimensi terdiri dari elemen segitiga (triangle) dan elemen

segiempat (quadrilateral). Elemen orde linier pada masing-masing tipe ini memiliki

sisi berupa garis lurus, sedangkan untuk elemen dengan orde yang lebih tinggi dapat

memiliki sisi berupa garis lurus, sisi yang berbentuk kurva ataupun dapat pula

berupa kedua-duanya.

a. Segitiga b. Segiempat

Gambar 2.6 Elemen Dua Dimensi [3]

commit to user


17

2.6.3 Elemen tiga dimensi

Elemen tiga dimensi terdiri dari elemen tetrahedron, dan elemen balok.

a. Tetahedra b. Hexahedra

Gambar 2.7 Elemen Tiga Dimensi [3]

2.7 Parameter Crashworthiness Impact Attenuator

Pada aplikasinya IEA(Impact Energy Absorption) membutuhkan komponen

yang sangat penting yaitu modul penyerap energi impak [30]. Modul penyerap

energi impak merupakan salah satu komponen paling penting dalam penerapan

teknologi crashworthiness untuk meningkatkan keselamatan sarana transportasi.

Modul penyerap impak yang ideal adalah modul penyerap impak yang mampu

mengatur kekuatan impak maksimum yang diijinkan sepanjang stroke selain

pengaruh pembebanan elastis. Pada penelitian sebelumnya Ezra dan Fay telah

mengklasifikasikan specific energy (Se) dan stroke efficiencies (Stc) pada beberapa

modul penyerap impak. Alghamdi telah mereview beberapa bentuk modul

penyerap energi impak dan menghasilkan beberapa bentuk deformasi [31].

Mekanisme-mekanisme tersebut di atas dibandingkan secara kritis dari

beberapa parameter antara lain adalah: Energi spesifik, effisiensi stroke, dan

effisiensi gaya hancur. Parameter tersebut diatas merupakan parameter yang

mempengaruhi keberhasilan dari modul penyerap impak.

Modul penyerap impak memiliki keanekaragaman jenis dan bentuk, beragam

modul penyerap impak dapat dibandingkan untuk mengetahui kelebihan dan

kekurangannya masing-masing, yang selanjutnya dapat digunakan untuk

mengetahui karakteristik dari suatu modul penyerap impak.

Adapun parameter crashworthiness pada impact attenuator [32] : (i) Primary

Peak Force, (ii) Mean Crushing Force, (iii) Energy Absorption, (iv) Specific

Energy Absorption, (v) Crushing Force Efficiency.

commit to user


18

2.7.1 Primary peak force (Pmax)

Primary peak energy merupakan gaya yang terjadi saat modul pertama kali

terdeformasi.

2.7.2 Mean crushing force

Mean crushing force (Pmean) merupakan gaya rata-rata yang dibutuhkan

untuk membuat suatu struktur terdeformasi. Mean crushing force dapat

dicari dengan menggunakan persamaan (2.1) berikut.

𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛 = 𝐸𝐴/𝛿 (2.1)

2.7.3 Energy absorption (EA)

Total energi terserap (EA) merupakan jumlah keseluruhan hasil kali antara

gaya hancur dengan perpindahan. Hasil simulasi yang didapatkan berupa

grafik force-displacement. Secara sederhana, besar total energi yang terserap

merupakan luas daerah terarsir dibawah grafik force-displacement.

2.7.4 Specific energy absorption (SEA)

Specific energy absorption didefinisikan sebagai energi yang diserap per unit

massa. Nilai specific energy absorption dapat dicari menggunakan persamaan

(2.2) berikut.

𝑆𝐸𝐴 = 𝐸𝐴/𝑚 (2.2)

2.7.5 Crushing force efficiency (CFE)

Efisiensi gaya hancur merupakan suatu parameter yang membandingkan

antara mean crushing force dengan primary peak force. Crushing force

efficiency dapat dicari menggunakan persamaan berikut.

𝐶𝐹𝐸 = 𝑃𝑚𝑒𝑎𝑛

𝑃𝑚𝑎𝑥 (2.3)

commit to user


landasan teori - digilib uns

Documents