BAB 1 - USU Institutional Repository - Universitas Sumatera Utara

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM
SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX
DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN
TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5
T E S I S
Oleh
PARLINDUNGAN S.P
047015010/TM
S E K O L A H
PA S C A S A R J A N A
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2010
1
Universitas Sumatera Utara

SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN PADA HELM
SEPEDA MOTOR DARI BAHAN KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX
DILAPISI BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK KECEPATAN
TINGGI MENGGUNAKAN MSC/NASTRAN 4.5
T E S I S
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
dalam Fakultas Teknik
pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
Oleh
PARLINDUNGAN S.P
047015010/TM
PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2010
2
Universitas Sumatera Utara

Judul Tesis : SIMULASI KOMPUTER DISTRIBUSI TEGANGAN
PADA HELM SEPEDA MOTOR DARI BAHAN
KOMPOSIT GFRP BTQN 157 EX DILAPISI
BUSA (FOAM) TERHADAP BEBAN IMPAK
KECEPATAN TINGGI MENGGUNAKAN
MSC/NASTRAN 4.5
Nama Mahasiswa : Parlindungan S.P
Nomor Pokok : 047015010
Program Studi : Teknik Mesin
Menyetujui
Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Ketua
(Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng) (Ir. Tugiman, MT)
Anggota Anggota
Ketua Program Studi Dekan
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) (Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting, M.Eng)
3
Universitas Sumatera Utara

Tanggal lulus : 25 November 2009
Telah diuji pada
Tanggal : 25 November 2009
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng
2. Ir. Tugiman, MT
3. Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
4. Ir. Awaludin Thayab, M.Sc
4
Universitas Sumatera Utara

RIWAYAT HIDUP
Nama : Parlindungan S.Pasaribu
Tempat /Tgl.lahir : Serbalawan 19 Juli 1981
Pekerjaan : Staff Pengajar Fakultas Teknik Universitas Setia Budi
Mandiri Medan
Agama : Protestan
Alamat : Jl. Seksama Gg.Harapan Pasti Barat No.5A Medan
Telp : 061- 77789019
Hp : 081361202019
Email : patar_y2@yahoo.com
Jenis Kelamin : Laki – Laki
Pendidikan
2004 – 2009 Universitas Sumatera Utara
1999 – 2004 Institut Teknologi Medan
1996 – 1999 SMU Kampus FKIP Univ HKBP Nomensen P.Siantar
1993 – 1996 SMP Kristen Marga Utama
1987 – 1993 SD Negeri Pematang Bandar
5
Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK
Dalam penelitian ini dilakukan simulasi distribusi tegangan pada helm sepeda
motor yang dikenai beban impak kecepatan tinggi. Helm dibuat dari bahan
komposit Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP). Konstruksi helm dibuat dua
jenis yaitu helm komposit dan helm komposit dilapisi busa. Helm dibebani
dengan beban impak pada tiga posisi yaitu pada bagian atas, samping, dan
belakang dengan beban impak sebesar 8,2 MPa. Untuk melihat besarnya distribusi
tegangan pada kedua helm ini, dilakukan simulasi dengan menggunakan
perangkat lunak AutoCad 2002 dan MSC/Nastran 4.5. Hasil simulasi
menunjukkan bahwa pada helm komposit tegangan yang paling besar terjadi pada
pemberian beban impak belakang arah X dipeoleh pada titik Y sebesar -4,7 Mpa
saat t 0.0039μs dan titik Z sebesar -3,4 MPa saat t = 0,0040 μs. Penjalaran
tegangan pada jarak 66mm dari titik pembebanan tampak semakin mengecil. Pada
helm komposit dilapisi busa tegangan yang paling besar terjadi pada pemberian
beban impak atas arah Z diperoleh pada titik X sebesar -3,0 MPa saat t 0,0042μs
dan titik Y sebesar -2,6 MPa, saat t =0,0045 μs. Hasil simulasi memberi informasi
bahwa helm komposit dilapisi busa mampu menyerap tegangan hingga 1,6%.
Kata Kunci : Helm Komposit GFRP, Simulasi komputer, Disrtibusi tegangan
6
Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT
This study focuses on a verification using simulation of stress distribution of
helmet motorcycle with high speed impact. The helmet is made of Glass Fiber
Reinforced Plastics (GFRP). Two types of helmet model were used in this study,
they are of composite helmet and foam-coated composite helmet. The helmets
with load of 8.2MPa were impacted from several impact locations such as from
the top, the side and the back of the helmets. To observe the stress distribution on
the helmets, computer simulation using AutoCad2002 and MSC/Nastran 4.5 was
used. The simulation showed that impacted from back direction (X-axis)
measured at Y-direction was -4.7MPa of stress was developed at time 0.0039μs
and Z-direction was -3.4MPa of stress was developed at time 0.0040μs. For the
composite helmet the condition stress propagated into the helmet became
decreasingly smaller at the distance 66mm from impact direction. For the
composite helmet foam-coated that impacted from top direction (Z-axis) by X
direction was -3MPa of was developed at the time 0.0042μs and Y direction was
2.6MPa of stress was developed at time 0.0045μs. From the result of both helmet
experiments it was showed that foam-coated composite helmet were able to
absorb stress impact up to 1.6%.
Key Words : Helmet Composite GFRP, Simulation Computer, Stress Distribution.
7
Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas hikmat
dan karunia yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan
tesis ini dengan judul : ” Simulasi Komputer Distribusi Tegangan Pada Helm
Sepeda Motor Dari Bahan Komposit GFRP BTQN 157 EX Dilapisi Busa
(Foam) Terhadap Beban Impak Kecepatan Tinggi Menggunakan
MSC/Nastran 4.5 ”.
Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset Impak
dan Keretakan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. Penulisan tesis
ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi
pembimbing dan melalui kolokium/seminar yang telah banyak memberi masukan
saran demi kesempurnaan pelaksanaan penelitian. Pada kesempatan ini penulis
menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang tinggi kepada:
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME (ketua), Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal,
M.Eng (anggota), dan Ir.Tugiman (anggota), MT selaku komisi pembimbing telah
memberikan kesempatan pada penulis untuk melaksanakan salah satu
penelitiannya serta memberi petunjuk dan arahan mulai dari pembuatan proposal
sampai menjadi sebuah tesis.
Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B.,M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana,
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME dan Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku
Ketua dan Sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah
8
Universitas Sumatera Utara

memberikan kesempatan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan pada
Program Studi Teknik Mesin SPs-USU.
Bapak-Bapak dosen yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan
serta rekan-rekan yang telah berpartisipasi sehingga dapat selesainya tulisan
usulan penelitian ini.
Direktur dan staf IC-STAR USU yang telah memberi kemudahan
penggunaan fasilitas simulasi komputer.
Seluruh dosen dan staf administrasi Program Studi Teknik Mesin SPs-USU
yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan selama penulis dalam
pendidikan di Program Magister.
Seluruh rekan-rekan mahasiswa khususnya rekan-rekan yang bergabung di
Pusat Riset Impak dan Keretakan atas bantuannya dalam melakukan penelitian,
simulasi komputer dan penyelesaian tesis ini.
Kedua orang tua,saudara penulis.
Pendamping (Tari Sianipar) yang setia menemani penulis
Penulis menyadari masih banyak ketidaksempurnaan dari penulisan tesis ini,
oleh karenanya kritik dan saran demi perbaikan yang membangun sangat
diharapkan. Penulis juga berharap tesis ini dapat bermanfaat bagi perkembangan
dan kemajuan ilmu pengetahuan.
9
Medan, 2010
Penulis,
Parlindungan S.P
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ...................................................................................................... i
ABSTRACT.................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR.................................................................................... iii
RIWAYAT HIDUP ........................................................................................ v
DAFTAR ISI................................................................................................... vii
DAFTAR TABEL ......................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR...................................................................................... x
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xiv
DAFTAR ISTILAH ....................................................................................... xv
BAB 1 PENDAHULUAN ........................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah ................................................................... 5
1.3. Tujuan Penelitian ....................................................................... 6
1.4. Manfaat Penelitian ..................................................................... 6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA.................................................................. 8
2.1. Sejarah Helm.............................................................................. 8
2.2. Pemodelan Helm ........................................................................ 13
2.3. Prinsip-prinsip Cedera Kepala ................................................... 14
2.4. Komposit.................................................................................... 17
2.5. MSC/NASTRAN For Windows Version 4.5............................. 23
2.6. Metode elemen Hingga.............................................................. 28
2.7. Kerangka Konsep....................................................................... 39
BAB 3 METODE PENELITIAN............................................................... 41
3.1. Tempat dan Waktu ..................................................................... 41
3.2. Bahan, Peralatan, dan Metode.................................................... 41
3.3. Variabel Yang Diamati .............................................................. 49
3.4. Pelaksanaan Penelitian............................................................... 49
10
Universitas Sumatera Utara

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN....................................................... 51
4.1 Pendahuluan .............................................................................. 51
4.2 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit ................ 61
4.3 Simulasi Busa (Foam) yang Melekat pada Helm...... ............... 83
4.4 Simulasi Helm Sepeda Motor dari Bahan Komposit dilapisi Busa
(Foam)....................................................................................... 91
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN....................................................... 102
5.1 Kesimpulan ................................................................................ 102
5.2 Saran........................................................................................... 105
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................... 106
11
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1 Klasifikasi dan simbol JIS (1977).................................................. 12
2.2 Klasifikasi cedera kepala................................................................ 14
2.3. Toleransi Beban Impak pada Kepala dan Otak................................ 17
3.1. Mekanikal Propertis komposit GFRP…………………………….. 42
3.2 Sifat Mekanikal Unsanturated Polyester Resin BTQN 157-EX…… 42
3.3. Sifat Mekanikal serat jenis E-glass................................................... 43
4.1 Hasil Tegangan Pada Helm Komposit.............................................. 83
4.2 Hasil Tegangan Pada Busa (Foam).................................................. 90
4.3 Hasil Tegangan Pada Helm Komposit dilapisi Busa (Foam)............ 100
12
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Helm Pertama BuatanBullard.............................................................8
2.2 Komponen Helm Sepeda Motor .........................................................9
2.3 Kurva Toleransi Untuk Impak Kepala..............................................15
2.4 Variasi Ukuran Kerusakan Kepala ( HIC ) dengan Percepatan
Impak (V2) dan Percepatan Dimensi (a/g)........................................16
2.5 Toleransi Beban Impak pada Kepala/Otak .....................................17
2.6 Gabungan Makroskopis Fasa-Fasa Pembentuk
Komposit...........................................................................................18
2.7 Klasifikasi/Skema Struktur Komposit...............................................19
2.8 Model (cara) Kegagalan pada Komposit Diperkuat Serat
yang Tidak Searah.............………………………….....……...........21
2.9 Mikro Kerusakan Laminasi pada Matriks, dan Terjadi
Delaminasi pada Lapisan Matriks.....................................................21
2.10 Mikro Kerusakan Laminasi, Terjadi Kerusakan Serat dan
Matriks Serta Delaminasi antara Lapisan Serat dan Matriks ...........22
2.11 Stress Whitening Zone Kepatahan T300/F 185
Graphite/Epoxy (propagasi retak dari kiri ke kanan)........................22
2.12 Tampilan Dasar Jenis Elemen...........................................................26
2.13 Elemen Diberi Beban.......................................................................27
13
Universitas Sumatera Utara

2.14 Pemberian Constrain.........................................................................27
2.15 Diskretisasi Elemen..........................................................................29
2.16 Bentuk Elemen Solid Tetrahedral.....................................................31
2.17 Kerangka Konsep Penelitian.............................................................39
3.1 Susunan Serat pada Pelat GFRP Enam Lapis....................................42
3.2 Helm Sepeda Motor Bahan Komposit.............................................43
3.3 Dimensi Helm Sepeda Motor Bahan Komposit
dengan Autocad 2002…………........................................................45
3.4. Gambar Helm Geometri Dibagi Dua................................................46
3.5 Kotak Dialog Pendefenisian Variabel-Variabel Bebas......................46
3.6 Kotak Dialog Constrain......................................................................47
3.7 Kotak Dialog Defenisi Fungsi Waktu.............................................. 47
3.8 Hasil Grafik dari Hasil Analisa.........................................................48
3.9 Hasil Simulasi Distribusi...................................................................48
3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian.......................................... .....50
4.1 Gambar Helm dengan Autocad.........................................................51
4.2 Helm Solid........................................................................................51
4.3 Lapisan Busa (foam) dengan Gambar Autocad 2002.......................52
4.4 Busa (foam) Solid..............................................................................52
4.5 Helm Komposit Dilapisi Busa..........................................................52
4.6 Lokasi Impak pada Helm Komposit.................................................52
4.7 Helm tampak depan .........................................................................52
4.8 Helm tampak samping.......................................................................54
14
Universitas Sumatera Utara

4.9 Dimensi Helm dengan Autocad........................................................54
4.10 Kotak Dialog Proses Import dari Autocad........................................56
4.11 Model Helm dibagi Dua....................................................................56
4.12 Kotak Dialog Jenis Material..............................................................57
4.13 Kotak Dialog Sifat Mekanik Material...............................................57
4.14 Kotak Dialog Material Helm Komposit............................................59
4.15 Kotak Dialog Mesh...........................................................................59
4.16 Model Elemen Tetrahedral................................................................60
4.17 Helm yang dimesh............................................................................60
4.18 Beban Impak dalam Arah Sumbu Z..................................................61
4.19 Kotak Dialog Konstrain....................................................................61
4.20 Posisi Konstrain................................................................................62
4.21 Helm setelah dikonstrain...................................................................62
4.22 Kotak Dialog Pemilihan Elemen.......................................................62
4.23 Kesetimbangan Momentum..............................................................62
4.24 Kotak Dialog Beban Impak dalam Bentuk Pressure.........................63
4.25 Kotak Dialog Arah Pembebanan.......................................................64
4.26 Kotak Dialog Model Fungsi..............................................................66
4.27 Kotak Dialog Library DYNA yang telah didaftar.............................66
4.28 Kotak Dialog Pemberian Beban Dynamic........................................66
4.29 Kotak Dialog Analysis......................................................................67
4.30 Kotak Dialog Perintah menyimpan File............................................67
4.31 Kotak Dialog Tempat Penyimpanan File
15
Universitas Sumatera Utara

4.32 Kotak Dialog Proses Analisis ..................................................... .... 68
4.33 Kotak Informasi Hasil Analisa.................................................... .....68
4.34 Kotak Dialog Pilihan Model Style .............................................. .....69
4.35 Kotak Dialog Seleksi Postprocessing Data................................. .....69
4.36 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm Komposit ......... .....70
Impak Atas.............. ................................................................... .....71
4.37 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit
Impak Atas ............................................................................ ..........73
4.38 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit, Countur diperbesar
(Tampak pada tebal helm bagian atas)..............................................73
4.39 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit Impak
Atas, Countur diperbesar (Tampak tebal helm bagian dalam ).......74
4.41 Kotak Dialaog untuk Set Grafik Distibusi
Tegangan.........................................................................................74
4.42 Kotak Dialog XY vs Set Value......................................................75
4.44 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas
(Lokasi Tegangan dititik A)............................................................75
4.45 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Atas
(Lokasi Tegangan dititik B) ......................................................... 76
4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Helm Komposit Impak Samping....................................................77
4.46 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Helm Komposit Impak Samping ...................................................77
4.47 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit
Countur diperbesar (Tampak atas).................................................78
16
Universitas Sumatera Utara

4.48 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping ( Lokasi
Tegangan dititik A)........................................................................79
4.49 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak Samping
(Lokasi Tegangan dititik B)...........................................................79
4.450 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm Komposit
Impak Belakang............................................................................80
4.51 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z Helm Komposit
Impak Belakang............................................................................80
4.52 Distribusi tegangan pada helm komposit, countur diperbesar
(Tampak tebal helm)......................................................................81
4.53 Grafik Tegangan pada Helm Komposit Impak
Belakang (Lokasi Tegangan dititik A)..........................................81
4.54 Grafik Tegangan pada Helm Komposit
Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)................................82
4.55 Dimensi Busa (foam)......................................................................84
4.56 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Impak Atas pada Busa (foam).......................................................84
4.57 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Impak Atas pada Busa (foam)......................................................85
4.58 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (foam) Impak Atas......................................................85
4.59 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Impak Samping pada Busa (Foam).............................................86
17
Universitas Sumatera Utara

4.60 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Impak Samping pada Busa (Foam)..............................................87
4.61 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (Foam) Impak Samping.............................................87
4.62 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Impak Belakang pada Busa (foam).............................................88
4.63 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Impak Belakang pada Busa (foam).............................................89
4.64 Grafik Nilai Pembebanan Distribusi Tegangan
pada Busa (foam) Impak Belakang.............................................89
4.65 Gambar Solid Helm Komposit dilapisi
dengan Busa (foam)......................................................................91
4.66 Gambar Distribusi Tegangan Normal X Helm
Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas.................................91
4.67 Gambar Distribusi Tegangan Normal Y Helm
Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Atas.................................92
4.68 Distribusi tegangan pada helm komposit
dilapisi Busa (Foam) Cuntur diperbesar
(Tampak tebal helm).....................................................................92
4.69 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)
Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititikA)....................................93
4.70 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
Busa (foam) Impak Atas ( Lokasi Tegangan dititik B)................93
18
Universitas Sumatera Utara

4.71 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah X
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping................94
4.72 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Samping.................95
4.73 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit
dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar
(Tampak tebal helm)....................................................................95
4.74 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik A)..........96
4.75 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapisi
Busa (foam) Impak Samping (Lokasi Tegangan dititik B)..........97
4.76 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Y
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang..............98
4.77 Gambar Distribusi Tegangan Normal Arah Z
Helm Komposit dilapisi Busa (foam) Impak Belakang..............98
4.78 Distribusi Tegangan pada Helm Komposit
dilapisi Busa (foam), Countur diperbesar
(Tampak tebal helm) ..................................................................98
4.79 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)
Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik A).............................99
4.80 Grafik Tegangan pada Helm Komposit dilapis Busa (foam)
Impak Belakang (Lokasi Tegangan dititik B)..............................99
19
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
Lampiran 1 Detail Bentuk Kepala Kategori Reguler SNI 1811 2007............106.
Lampiran 2 157 BQTN-EX Series..................................................................109
Lampiran 3 Polyethylene Foam LD18........................................................... 111
Lampiran 4 Evaluasi Pemakaian Helm dan Tingginya Angka Kecelakaan
Lalulintas......................................................................................112
Lampiran 5 Undang-undang No.14 tahun 1992 Pasal 23................................114
20
Universitas Sumatera Utara