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