i

REKAYASA MODIFIKASI CHASSIS PICK UP BIASA MENJADI DUMP PICK UP MENGGUNAKAN

METODE ELEMEN HINGGA

TESIS

Diajukan Kepada Program Studi Magister Teknik Mesin

Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Guna Memperoleh

Gelar Magister dalam Bidang Teknik Mesin

Oleh Hadi Kusnanto

NIM. U.100140017

MAGISTER TEKNIK MESIN SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017

ii

iii

iv

v

TESIS

REKAYASA MODIFIKASI CHASSIS PICK UP BIASA MENJADI DUMP

PICK UP DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

Oleh :

Hadi Kusnanto U100140017

Abstrak

Modifikasi mobil pick up biasa menjadi pick up yang dapat di-dump menuntut pihak pelaksana modifikasi untuk melakukan pemilihan material yang digunakan. Pemilihan material sering dilakukan dengan tidak berdasar pada spesifikasi atau kriteria tertentu. Penelitian ini melakukan simulasi metode elemen hingga (MEH) pada proses pemilihan material menggunakan analisa fatigue dengan metode Goodman pada modifikasi berdasarkan kriteria angka keamanan, jumlah siklus kerja, deformasi dan regangan elastis dari sembilan bentuk profil material yang umum ada di pasaran. Dari hasil simulasi bahwa profil material yang paling aman adalah RHS 100x50x6 mm dengan angka keamanan pembebanan sebesar 3.97, jumlah siklus kerja 2.8 x 109 siklus, dengan total deformasi sebesar 0.12 mm, dan tegangan von-misses sebesar 21.70 Mpa pada pembebanan sebesar 4561.65 N. Profil paling ekonomis dan aman untuk direkomendasikan adalah Channel C 125x50x4 mm dengan angka keamanan 3.49, total deformasi sebesar 0.11 mm, tegangan von-misses sebesar 26.21 MPa dengan jumlah kerja siklus 1.33 x 109 pada pembebanan 4561.65 N. Kata kunci : angka keamanan, siklus kerja, deformasi, tegangan von-misses.

vi

TESIS

Modification Engineering of Regular Chassis Pick up Into a

Dump Pick up using the Finite Element Method

Author :

Hadi Kusnanto U100140017

Abstract

Modification of ordinary pick-up cars into pick up that can be dumped requires the implementer modification to make the appropriate material selection. Oftentimes the selection of materials is not based on certain specifications or criteria. This research performs finite element method (MEH) simulation in materials selection process using fatigue analysis with Goodman method on modification based on security score criteria, number of duty cycle, and deformation of nine common material profile form on the market. From the simulation results that the safest material profile is RHS 100x50x6 mm with a loading security number of 3.97, the number of duty cycle 2.8 x 109 cycles, with a total deformation of 0.12 mm, and a von-misses velocity of 21.70 MPa at loading of 4561.65 N. The most economical and safe profile to recommend is Channel C 125x50x4 mm with security number 3.49, total deformation of 0.11 mm, von-misses stress of 26.21 MPa with number of work cycle 1.33 x 109 on loading 4561.65 N. Key Words : Security factor, duty cycle, deformation, von-misses stress.

vii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas berkah dan rahmat-Nya,

sehingga Penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Maksud dan tujuan dari penulisan

tesis ini adalah untuk memenuhi persyaratan kelulusan di Program Magister

Teknik Mesin Sekolah Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai

pihak, selama masa perkuliahan sampai pada penyusunan laporan tesis ini,

sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan laporan ini. Maka pada

kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Sofyan Anif, M.Si selaku Rektor Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

2. Bapak Prof. Dr. Bambang Sumardjoko selaku Direktur Sekolah Pascasarjana

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Marwan Efendi, ST., MT., Ph.D. dan Tri Besar Riyadi, ST., MT.,

Ph.D selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin Sekolah

Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta, yang sekaligus sebagai

Pembimbing Akademik.

4. Bapak Dr. Supriyono, ST., MT. selaku pembimbing tesis.

5. Seluruh Staf pengajar Program Magister Teknik Mesin Sekolah Pascasarjana

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

6. Pimpinan dan seluruh Civitas Universitas Muhammadiyah Surabaya yang

telah memberikan dukungan moril maupun materiil mulai dari awal studi

hingga akhir penelitian tesis ini.

7. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada istri dan anak – anak yang

telah mendukung penulis mulai dari proses studi lanjut hingga selesai.

8. Para semua sahabatku Mahasiswa Program Magister Teknik Mesin Sekolah

Pascasarjana Universitas Muhammadiyah Surakarta Angkatan 2014, yang

telah menyumbangkan ide kreatif serta bantuan dalam pengerjaan tesis ini.

Akhir kata, Penulis berharap Allah SWT berkenan membalas segala

kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga Tesis ini membawa manfaat

bagi pengembangan ilmu Teknik Mesin.

Surakarta, 21 Agustus 2017 Hadi Kusnanto

viii

DAFTAR ISI Halaman Pengesahan ………………………………………………………. i

Nota Pembimbing …………………………………………………………... ii

Kata Pengantar ……………………………………………………………… iii

Pernyataan Keaslian Tesis ………………………………………………….. iv

Abstrak ……………………………………………………………………… v

Kata Pengantar ……………………………………………………………… vii

Daftar Isi ……………………………………………………………………. viii

Daftar Gambar ……………………………………………………………... xi

Daftar Tabel ………………………………………………………………… xiv

BAB I PENDAHULUAN …………………………………………………... 1

1.1. Latar Belakang …………………………………………..………… 1

1.2. Rumusan Masalah ………………………………………………… 2

1.3. Batasan Masalah ………………………………………………… 3

1.4. Tujuan ……………………………………………………………... 3

1.5. Manfaat ……………………………………………………………. 4

1.5.1. Manfaat Teoritis …………………………………………….. 4

1.5.2. Manfaat Praktis …………………………………………… 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA …………………………………………… 5

2.1. Literature review ………………………………………………… 5

2.2. Chassis …………………………………………………………….. 14

2.2.1. Ladder Frame ……………………………………………….. 15

2.2.2. Tubular Space Frame ……………………………………….. 17

2.2.3. Monocoque ………………………………………………….. 18

2.2.4. Backbone ……………………………………………………. 19

2.2.5. Aluminium Chassis Frame ………………………………….. 20

2.3. Pembebanan pada Chassis ………………………………………… 20

2.4. Tegangan ………………………………………………………….. 21

2.4.1. Transformasi Tegangan …………………………………… 22

2.4.2. Tegangan utama (principal stress) ………………………….. 25

2.4.3. Tegangan Geser Maksimum ………………………………... 26

2.5. Regangan ………………………………………………………….. 27

ix

2.5.1. Transformasi Regangan …………………………………….. 27

2.5.2. Regangan utama …………………………………………….. 28

2.5.3. Regangan Geser Maksimum ……………………………….. 28

2.6. Hukum Hooke …………………………………………………….. 28

2.7. Momen Inersia …………………………………………………….. 29

2.7.1. Momen inersia Penampang Hollow Segi empat …………… 29

2.7.2. Momen inersia Penampang Hollow Lingkaran …………….. 30

2.8. Defleksi ………………………………………………….....……… 30

2.9. Kelelahan (Fatigue) ……………………………………………….. 34

2.9.1. Faktor – faktor yang mempengaruhi Kekuatan Lelah ……… 38

2.10. Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga ………………………… 41

2.10.1. ANSYS ………………………………………………......….. 41

2.10.2. Cara Kerja ANSYS ……………………………………….… 41

2.10.3. Metode Elemen Hingga ……………………..………………. 42

2.10.4. Dasar Pemodelan Catia …………………………………….. 45

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ………………………………...… 50

3.1. Diagram Alir Penelitian ……………………..………………......….. 50

3.2. Prosedur Penelitian ……………………………………...…...……... 51

3.3. Pengumpulan Data ……………………………………………......… 54

3.3.1. Objek Penelitian …………………………………………........ 54

3.3.2. Software Catia ………………………………………………... 55

3.3.3. Simulasi ANSYS …………………………………………….. 56

3.4. Teknik Analisis Data ………………………………………………... 57

3.5. Pengasumsian ……………………………………….………………. 57

BAB 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN …………………….. 58

4.1. Desain Teknis ……………………………………………………….. 58

4.1.1. Diagram benda bebas (DBB) sistim ………………………… 58

4.1.2. Besar Pembebanan …………………………………………… 59

4.1.3. Material ………………………………………………….....… 59

4.1.4. Analisa Data Penelitian ……………………………………… 60

4.2. Pemodelan Elemen Hingga ……………………………………..…... 61

4.2.1. Jenis Elemen yang digunakan ………………………………... 62

4.2.2. Pembebanan ……………………………..…………….……... 62

x

4.2.3. Kondisi batas ………………………...………………...…...… 63

4.3. Uji Konvergensi ……………………………………………...…...… 64

4.4. Analisa Hasil Statik …………………………………………..…...… 66

4.5. Analisa Kelelahan ……………………………………...…………… 73

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………………. 78

5.1. Kesimpulan ……………………………………………….………… 78

5.2. Saran ………………………………………………………….…….. 79

DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………. 80

xi

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Pick up yang diubah menjadi mini dump truk ………………… 1

Gambar 2.1 Ladder Frame ………………………………………………….. 16

Gambar 2.2 Ladder Frame dengan palang X ………………………………. 17

Gambar 2.3 Tubular Space Frame …………………………………………. 17

Gambar 2.4 Chassis Monocoque …………………………………………… 18

Gambar 2.5 Chassis Backbone …………………………………………........ 20

Gambar 2.6 Aluminium Chassis Frame …………………………………….. 20

Gambar 2.7 Jenis – Jenis Reaksi Dukungan ……………………………...… 21

Gambar 2.8 Kondisi tegangan pada bidang x-y …………………………….. 23

Gambar 2.9 Kondisi tegangan pada bidang x‟-y‟ ………………………….. 23

Gambar 2.10 Bidang menerima tegangan (a) segmen yang dipotong; (b)

potongan segmen. ………………………………………….……

23

Gambar 2.11 diagram benda bebas potongan segmen ……………………. 24

Gambar 2.12 Diagram benda bebas bidang x‟-y‟ …………………………. 25

Gambar 2.13 Segitiga trignometri tegangan utama ……………………….... 26

Gambar 2.14 Segitiga trignometri tegangan geser …………………………. 27

Gambar 2.15 Regangan pada elemen (a) Regangan normal,∈ ; (b)

Regangan geser,훾 ……………………………………….......

27

Gambar 2.16 Segitiga trignometri regangan utama ………………………… 28

Gambar 2.17 Penampang rangka utama …………………………………… 29

Gambar 2.18 Penampang rollbar ………………………………………....... 30

Gambar 2.19 Batang yang ditumpu dan diberi beban merata ……………… 30

Gambar 2.20 Diagram benda bebas gaya luar ……………………………… 31

Gambar 2.21 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam …………………… 32

Gambar 2.22 Diagram momen dan gaya geser ……………………………... 33

Gambar 2.23. Kurva S-N …………………………………………………… 37

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ……………………………………….. 51

Gambar 3.2 Toolbar setting jumlah elemen pada ANSYS Workbench ……. 52

Gambar 4.1.Rencana pembuatan dudukan hidrolik dump Pick Up. ………. 58

Gambar 4.2.Sketh model pembebanan yang dianalisa…………………….... 59

Gambar 4.3 Model rangka dudukan hidrolik dengan beban tekan…………. 61

xii

Gambar 4.4 Bentuk Mesh profil yang diuji. ………………………………... 62

Gambar 4.5 Gambar outline toolbar setting kondisi batas pada ANSYS

Workbench....................................................................................

63

Gambar 4.6 Hubungan antara momen inersia profil dengan total deformasi

yang terjadi ……………………………………………………...

68

Gambar 4.7.Tegangan von-misses pada profil pipa diameter 60.5 mm…… 68

Gambar 4.8.Total Defleksi pada profil pipa diameter 60.5 mm…………… 68

Gambar 4.9. Tegangan von-misses pada profil UNP 100x50x5 mm……… 69

Gambar 4.10.Total Defleksi pada profil UNP 100x50x5 mm……………..... 69

Gambar 4.11.Tegangan von-misses pada profil pipa diameter 76.3 mm…… 69

Gambar 4.12.Total Defleksi pada profil pipa diameter 76.3 mm…………… 69

Gambar 4.13.Tegangan von-misses pada profil UNP 100x50x6 mm……… 70

Gambar 4.14.Total Defleksi pada profil UNP 100x50x6 mm……………… 70

Gambar 4.15.Tegangan von-misses pada profil pipa diameter 89.1 mm…… 70

Gambar 4.16.Total Defleksi pada profil pipa diameter 89.1 mm…………… 70

Gambar 4.17.Tegangan von-misses pada profil UNP 120x55x7 mm……… 71

Gambar 4.18.Total Defleksi pada profil UNP 120x55x7mm……………… 71

Gambar 4.19.Tegangan von-misses pada profil C 125x50x4 mm………… 71

Gambar 4.20.Total Defleksi pada profil C 125x50x4 mm………………… 71

Gambar 4.21.Tegangan von-misses pada profil RHS 100x50x5 mm……… 72

Gambar 4.22.Total Defleksi pada profil RHS 100x50x5 mm……………… 72

Gambar 4.23.Tegangan von-misses pada profil RHS 100x50x6 mm……… 72

Gambar 4.24.Total Defleksi pada profil RHS 100x50x6 mm……………...... 72

Gambar 4.25 Siklus pembebanan konstan saat simulasi ANSYS…………… 73

Gambar 4.26 Mean Stress Theory metode GOODMAN……………………. 73

Gambar 4.27. S – N Diagram dari Mild Steel bahan dasar profil yang diuji... 74

Gambar 4.28. Kontur fatigue dari profil pipa diameter 60.5 mm…………… 75

Gambar 4.29. Kontur fatigue dari profil UNP 100x50x5 mm……………… 76

Gambar 4.30. Kontur fatigue dari profil pipa diameter 76.3 mm…………… 76

Gambar 4.31. Kontur fatigue dari profil UNP 100x50x6 mm……………… 76

Gambar 4.32. Kontur fatigue dari profil pipa diameter 89.1 mm…………… 76

Gambar 4.33. Kontur fatigue dari profil UNP 120x55x7 mm……………… 77

Gambar 4.34. Kontur fatigue dari profil C 125x50x4 mm………………… 77

xiii

Gambar 4.35. Kontur fatigue dari profil RHS 100x50x5 mm……………… 77

Gambar 4.36. Kontur fatigue dari profil RHS 100x50x6 mm ……………… 77

xiv

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis – Jenis Reaksi Dukungan ………………………………… 21

Tabel 4.1 Komposisi kimia mild steel ……………………………………… 59

Tabel 4.2 Sifat mekanis dari mild steel (KadhumMehdyShrama, hal.208-210)…... 60

Tabel 4.3 Jenis profil yang disimulasikan ………………………………….. 61

Tabel 4.4 Tabel Uji Konvergensi dari Profil Pipa ………………………….. 65

Tabel 4.5 Tabel Uji Konvergensi dari Profil Channel 125 x 50 x 4 ……….. 65

Tabel 4.6 Tabel Uji Konvergensi dari Profil UNP …………………………. 66

Tabel 4.7 Tabel Uji Konvergensi dari Profil Rectangular Hollow Square

(RHS) …………………………………………………………...

66

Tabel 4.8. Rekapitulasi hasil analisa statik 9 (sembilan) profil uji………….. 67

Tabel 4.9 Hubungan Alternating stress dan jumlah siklus kerja (cycles) dari

material mild steel hasil simulasi dengan perangkat lunak FEM

ANSYS Workbench 14 …………………………………………

74

Tabel 4.10 Rekapitulasi hasil analisa Kelelahan pada material profil yang

diuji ……………………………………………………………..

75