## PREDIKSI UMUR FATIK STRUKTUR CRANE KAPASITAS 10 TON MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
Lasinta Ari Nendra Wibawa 1,2
1 Mahasiswa Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret
2 Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Email: lasinta.ari@lapan.go.id

## ABSTRAK
Crane  merupakan  salah  satu  alat  berat  dalam  suatu  industri.  Di  kantor  LAPAN  Garut, Crane digunakan untuk proses perakitan roket. Penelitian ini mengkaji tentang prediksi umur fatik struktur  Crane  menggunakan  metode  elemen  hingga.  Desain  struktur  Crane  menggunakan Autodesk  Inventor  Professional  2017,  sedangkan  analisis  elemen  hingga  menggunakan  Ansys Workbench  2019  R1.  Struktur  Crane  dikenakan  beban  10  Ton  dengan  jenis  pembebanan  fully- reserved.  Prediksi  umur  fatik  menggunakan  teori  tegangan  rata-rata  Gerber.  Material  struktur Crane  adalah  Aluminium  paduan.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  struktur  Crane  memiliki umur fatik minimum hingga 1,971 x 10 6 siklus dengan faktor keamanan minimum 1,106.
Kata kunci: aluminium paduan, ansys, metode elemen hingga, prediksi umur fatik, struktur crane

## ABSTRACT
The Crane is one of the heavy equipment in an industry. In the LAPAN Garut office, Crane is used  for  the  rocket  assembly  process.  The  study  examines  the  fatigue  life  prediction  of  Crane structures  using  the  finite  element  method.  Crane  structure  design  uses  Autodesk  Inventor Professional 2017, while finite element analysis uses Ansys Workbench 2019 R1. Crane structure is subjected to a load of 10 tons with a fully-reserved type of loading. Fatigue life prediction using Gerber's mean stress theory. Crane structure material is Aluminum alloy. Simulation results show that  the  Crane  structure  has a  minimum  fatigue  life of  up  to  1,971  x  10 6 cycles  with  a  minimum safety factor of 1,106.
Keywords : aluminum alloy, ansys, finite element method, fatigue life prediction, crane structure

## 1. PENDAHULUAN
Lokasi  LAPAN  Garut  yang  berada  di  tepi  Pantai  Cilauteureun membuat lingkungan  kantor sangat tinggi dengan  laju korosi [1]. Komponen yang terbuat dari material logam  khususnya besi dan baja adalah material yang paling dominan terkena dampaknya [2]. Hal ini karena besi dan baja merupakan material yang sangat mudah terkorosi meskipun hanya di lingkungan atmosfer [3].
Crane merupakan salah satu peralatan yang biasa digunakan dalam suatu industri alat berat [4]. Crane digunakan untuk mengangkat beban berat dan memindahkannya dari satu tempat ke tempat yang lain [5]. Crane banyak  digunakan  di  berbagai  industri  seperti  transportasi,  konstruksi,  dan  manufaktur  [6]. Penggunaan Crane di LAPAN Garut antara lain untuk merakit komponen roket. Konstruksi  struktur Crane dapat  mengalami  kegagalan  karena  berbagai  faktor.  Deformasi plastis karena beban berlebihan, kurangnya perawatan, korosi, dan fatik adalah beberapa penyebab kegagalan  struktur Crane [7].  Fatik  merupakan  penyebab  terbanyak  kegagalan  suatu  komponen atau struktur [8].
Penelitian  ini  bertujuan  melakukan  investigasi  untuk mengetahui umur  fatik  struktur Crane kapasitas 10 Ton menggunakan Ansys Workbench 2019 R1 . Fatik atau kelelahan merupakan salah
satu  jenis  kegagalan  pada  komponen  karena  beban  dinamik  yang  fluktuatif  di  bawah  kekuatan luluh yang terjadi berulang-ulang dalam waktu yang lama.
Material yang digunakan untuk struktur Crane yaitu Aluminium paduan. Aluminium paduan merupakan  material  yang  memiliki  massa  jenis  ringan,  kekuatan  luluh  yang  cukup  tinggi,  dan tahan korosi [9][10][11].

## 2.  METODE PENELITIAN

## 2.1. Material
Material  yang  digunakan  untuk  struktur Crane adalah  material  Aluminium  paduan. Keterangan  lengkap  mengenai  jenis,  standar,  dan  ukuran  material  secara  lengkap  dapat  dilihat pada Gambar 1 dan Tabel 1. Tabel 2 menunjukkan sifat mekanik dari Aluminium paduan.
Gambar 1. Desain 3D struktur Crane [7]
Tabel 1. Standar dan ukuran rangka dari sruktur Crane [7] .
Keterangan Standar Material Ukuran Rangka 1 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 2 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 3 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 4 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 5 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 6 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 7 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 8 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 9 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 10 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 11 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 12 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 13 JIS A 5526 200 x 200 x 8
Rangka 14 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 15 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 16 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 17 JIS A 5526 200 x 200 x 8 Rangka 18 JIS 4565 200 x 75 x 25 Rangka 19 JIS 4565 200 x 75 x 25 Rangka 20 JIS 4495 150 x 75 x 25 Rangka 21 JIS 4495 150 x 75 x 25 Rangka 22 JIS 4495 150 x 75 x 25 Rangka 23 JIS 4495 150 x 75 x 25
Tabel 2. Sifat fisik material struktur Crane . Parameter Keterangan Material Aluminium paduan Density 2,77 g/cm³ Yield Strength 280 MPa Ultimate Tensile Strength 310 MPa

## 2.2. Perangkat lunak (Software)
Dimensi struktur Crane secara detail ditunjukkan pada Gambar 2. Pembuatan desain struktur Crane menggunakan  perangkat lunak  ( software ) Autodesk  Inventor  Professional  2017.  Autodesk Inventor Professional adalah salah satu jenis perangkat pemodelan yang cukup banyak digunakan oleh perancang karena kemudahan dalam proses perancangan gambar  [12]. Hal ini cukup praktis dan hemat waktu sebelum membuatnya dalam bentuk prototipe fisik [13]. Salah satu keunggulan utama dari perangkat lunak jenis pemodelan 3D yaitu luas dan volume suatu desain dapat dihitung dengan mudah, meskipun desain yang dibuat sangat kompleks dan rumit [14].
Gambar 2. Dimensi struktur Crane kapasitas 10 Ton dalam mm [7]
Analisis umur fatik dilakukan menggunakan metode elemen hingga dengan perangkat lunak Ansys  Workbench  2019  R1 .  Metode  elemen  hingga  adalah  teknik  matematika  numerik  untuk menghitung  kekuatan  struktur  komponen  teknik  dengan  membagi  obyek  menjadi  bentuk  jala ( mesh ) [2][15], suatu elemen yang lebih kecil sehingga kalkulasi dapat diatur dan dijalankan. Asumsi  dan  parameter  analisis  umur  fatik  menggunakan Ansys  Workbench  2019  R1 dijabarkan  secara  lengkap  pada  Tabel  3.  Gambar  3  menunjukkan  kondisi  batas  ( boundary condition )  proses  simulasi  dengan fixed  support pada  keempat  kaki  struktur Crane .  Gambar  4 menunjukkan  lokasi  pembebanan  pada  struktur Crane .  Hubungan  antar  rangka  dianggap  kontak berikat ( bonded contact ). Artinya, permukaan antar rangka kaku satu sama lain. Kontak ini dapat berupa sambungan las atau adhesif.
Tabel 3. Asumsi dan parameter analisis umur fatik ( fatigue life ) Parameter Keterangan Kapasitas 10 Ton Percepatan gravitasi 9,81 m/s 2 Beban 98.100 N Element size Default Number of nodes 55.576 Number of elements 15.332 Safety factor Berdasarkan yield strength Loading type Fully-reserved Analysis type Stress life Mean stress theory Gerber Stress component Equivalent (von-Mises) Design life 10 6 cycles
Gambar 3. Lokasi fixed support struktur Crane .
Gambar 4. Lokasi pembebanan struktur Crane .

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam  ilmu  perancangan,  kegagalan  seharusnya  tidak  terjadi  jika  tegangan  yang  diterima suatu  struktur  berada  jauh  di  bawah  kekuatan  material  dalam  menahan  beban.  Namun,  pada pembebanan  dinamik  atau  siklik,  struktur  dapat  mengalami  kegagalan  meskipun  tegangan  von Mises maksimum kurang dari kekuatan luluh material. Kegagalan ini dapat terjadi karena material mengalami  kelelahan  ( fatigue ).  Fatik  adalah  kegagalan  yang  terjadi akibat  beban  yang  berulang- ulang  dalam  waktu  yang  lama.  Mayoritas  kegagalan  ini  terjadi  karena  fluktuasi  akibat  adanya tegangan  tarik-tekan  pada  komponen  [16].  Fase  terjadinya  proses  fatik  yaitu  retak  awal  ( initial crack ),  perambatan retak  ( crack  propagation ), dan  patah akhir ( final  fracture ).  Retak  awal  dapat terjadi karena adanya cacat pada proses produksi.
Umur fatik ( fatigue life ) adalah jumlah siklus tegangan dan regangan yang fluktuatif dari sifat tertentu yang material akan  pertahankan sebelum terjadi kegagalan [16]. Gambar 7 menunjukkan hasil  simulasi  umur  fatik  struktur Crane .  Hasil  simulasi  menunjukkan  struktur Crane memiliki umur fatik minimum hingga 1,971 x 10 6 siklus.
Gambar 7. Prediksi umur fatik struktur Crane .
Faktor  keamanan  ( safety  factor )  merupakan  salah  satu  indikator  dari  kekuatan  material. Faktor  keamanan  digunakan  sebagai  metode  untuk  mengevaluasi  keamanan  komponen    atau struktur meskipun dimensi yang digunakan minimum [13]. Nilai faktor keamanan umur fatik harus lebih besar dari 1 karena jika kurang dari 1 menunjukkan kegagalan dari sebuah desain [17].
Gambar 8 menunjukkan faktor keamanan minimum prediksi umur fatik yaitu 1,106. Hal ini berarti  struktur Crane mampu  menahan  beban  10  Ton  hingga  1,971  x  10 6 siklus  dengan  faktor keamanan minimum yaitu 1,106.
Gambar 8. Faktor keamanan minimum umur fatik pada struktur Crane .

## 4.  KESIMPULAN
Hasil  simulasi  menunjukkan  struktur Crane memiliki  umur  fatik  minimum  hingga  1,971  x 10 6 siklus. Hal ini berarti struktur Crane mampu menahan beban hingga 1,971 x 10 6 siklus dengan faktor keamanan minimum yaitu 1,106.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Wibawa,  L.  A.  N.  2018.  “Desain  dan  Analisis  Kekuatan  Rangka  Tempat  Sampah  di  Balai LAPAN Garut Menggunakan Metode Elemen Hingga.” Turbul. J. Tek. Mesin , vol. 1, no. 2, pp. 64–68.
[2]  Wibawa,  L.  A.  N.  2019.  “Desain  dan  Analisis  Kekuatan  Dudukan  (Bracket)  AC  Outdoor Menggunakan Metode Elemen Hingga,” J. Crankshaft , vol. 2, no. 1, pp. 19–24.
[3]  Wibawa,  L.  A.  N.  2013.  “Pengaruh  Variasi  Tegangan  dan  Waktu  Pelapisan  pada  Proses Elektroplating  Baja  Karbon  Rendah  dengan  Pelapis  Seng  terhadap  Ketebalan  dan  Laju Deposit.” Universitas Sebelas Maret.
[4]  Wibawa,  L.  A.  N.  n.d.-a.  “Desain  dan  Simulasi  Elemen  Hingga  Gantry  Crane  Kapasitas  9 Ton Menggunakan Autodesk Inventor 2017.”
[5]  Patel,  N.  R.  and  N.  S.  Patel.  2015.  “Design  and  Analysis  of  50  Tonne  Crane  Hook  for Optimization,” vol. 3, no. 08, pp. 581–584.
[6]  Khan, E.  R.,  V.  S.  Kardile,  P.  D.  Dhakane,  A.  P.  Gore, and  B.  D.  Mahajan.  2017.  “Design And Analysis of Crane Hook with Different Materials,” Int. J. Innov. Emerg. Res. Eng. , vol. 4, no. 3, pp. 227–233.
[7]  Wibawa,  L.  A.  N. n.d.-b.  “Desain  dan  Analisis Tegangan  Struktur  Crane  Kapasitas  10 Ton Menggunakan Metode Elemen Hingga.”
[8]  Wibawa,  L.  A.  N.  n.d.-c.  “Prediksi  Umur  Fatik  Alat  Pengangkat  Roket  Kapasitas  20  Ton Menggunakan Metode Elemen Hingga.”
[9]  Wibawa, L. A. N. 2019. “Desain dan Analisis Tegangan Crane Hook Model Circular Section Kapasitas 5 Ton Menggunakan Autodesk Inventor 2017,” Simetris J. Tek. Mesin, Elektro dan Ilmu Komput. , vol. 10, no. 1, pp. 27–32.
[10]  Wibawa,  L.  A.  N.  2019.  “Pengaruh  Susunan  dan  Jumlah  Lubang  Baut  Terhadap  Kekuatan Rangka  Main  Landing  Gear  Untuk  Pesawat  UAV,” Flywheel J.  Tek.  Mesin  Untirta ,  vol.  5, no. 1, pp. 46–50.
[11]  Wibawa,  L.  A.  N.  2019.  “Pengaruh  Diameter  Baut  Terhadap  Kekuatan  Rangka  Main Landing Gear Pesawat UAV Menggunakan Metode Elemen Hingga,” J. Polimesin , vol. 17, no. 1, pp. 26–32.
[12]  Wibawa,  L.  A.  N.  2018. Merancang  Komponen  Roket  3D  dengan  Autodesk  Inventor Professional 2017 . Buku Katta.
[13]  Wibawa,  L.  A.  N.  2018. Simulasi  Kekuatan  Komponen  Sarana  Pengujian  Roket Menggunakan Autodesk Inventor Professional 2017 . Buku Katta.
[14]  Wibawa,  L.  A.  N.  2019.  “Desain  dan  Analisis  Kekuatan  Rangka  Lemari  Perkakas  di  Balai LAPAN  Garut  Menggunakan  Metode  Elemen  Hingga,” Mach.  J.  Tek.  Mesin ,  vol.  5,  no. 2, pp. 45–50.
[15]  Wibawa,  L.  A.  N.  2019.  “Desain  dan  Analisis  Kekuatan  Rangka  Meja  Kerja  (Workbench) Balai  LAPAN  Garut  Menggunakan  Metode  Elemen  Hingga,” JTM-ITI  (Jurnal  Tek.  Mesin ITI) , vol. 3, no. 1, pp. 13–17.
[16]  Wibawa,  L.  A.  N. n.d.-d.  “Simulasi  Umur  Fatik  Rangka  Main  Landing  Gear  Menggunakan Metode Elemen Hingga.”
[17]  Wibawa, L. A. N. and K. Diharjo. 2019. “Desain, Pemilihan Material, dan Faktor Keamanan Stasiun Pengisian Gawai Menggunakan Metode Elemen Hingga,” J. Teknol. , vol. 11, no. 2, pp. 97–102.