## Desain Dan Evaluasi Ring Load Cell
－ Pre Desain －
Taufiq Arif Setyanto 1 , Kusnindar Priohutomo 1

## Abstrak
Dalam pengujian seakeeping model kapal atau bangunan lepas pantai di kolam MOB UPT BPPH, khususnya pengujian tambat dengan menggunakan mooring line, karakteristik beban yang diterima oleh tali  tambat  tersebut  sangatlah  penting  untuk  diketahui.  Oleh  karena  itu  dibutuhkan  sebuah  alat  ukur (load  cell)  khusus  yang  sangat  ringan,  kecil  dan  tahan  air.  Load cell  tipe  ini  dedesain  dengan mempunyai bentuk ring, sehingga disebut dengan ring load cell.
Paper  ini  menerangkan  tentang  desain  awal  ring  load  cell  dengan  menggunakan  finite  element software ANSYS.  Tahapan  awal proses  desain  adalah  mengetahui  sifat  mekanis bahan  yang  dipilih yaitu  aluminium paduan,  dengan cara  melakukan  proses  uji  tarik.  Dengan  parameter-parameter  yang telah  didapat  dari  uji  tarik,  proses  modeling  dan  analisa  dengan  menggunakan software tersebut, nilai distribusi  regangan  bisa  diketahui  sepanjang  sisi luar dan  dalam  dari  spring  element berbentuk  cincin tersebut.  Dari  hasil  analisa  distribusi  regangan,  lokasi  dan  orientasi  penempatan strain  gage  nantinya dapat ditentukan.
Kata kunci : ring load cell, regangan, strain gage

## Abstract
The  characteristic  of  the  load acting  on  the  moring  line of  the ship  model or offshore  structure model during seakeeping test is an important parameter to be considered. A special design of load cell which is very light, small and waterproof called ring load cell is designed.
This paper describes the predesign of the ring load cell using ANSYS finite element software. First, the mechanical properties of the spring material, aluminum alloy, was found by tensile test experiment. The  distribution  of  the  strain  along  the  outer  and  inner  surface  of  the  ring  type  of  spring  element is analysed using the software. From the result of the strain distribution, the location and orientation of the strain gage could be defined.
Key words : ring load cell, strain, strain gage

## PENDAHULUAN
Beberapa  pengujian  di UPT  BPPH  khususnya pengujian  model  offshore  memerlukan  peralatan ukur/sensor yang relatif sangat spesifik. Khusus untuk mengukur  tegangan  mooring  line  diperlukan  load  cell yang sangat ringan sensitif dan kedap air.
Untuk mendapatkan load cell yang dipersyaratkan, beberapa  tahapan  desain  dan  pembuatan  perlu dilakukan.  Paper  ini  menjelaskan  desain  awal  dalam rangka  proses  pembuatan  ring  load  cell.  Tahap  awal ini mencakup pertimbangan pemilihan material sbagai ring  dan  perhotungan  analisa  dengan  menggunakan software  finite  elemnt  untuk  memprediksi  strain  yang
akan  terjadi  dengan  bebean  yang  perkiraan  saat pengujian.
Beberapa  desain  dan  manufacturing  load  cell sejenis  telah  banyak  dikembangakan diantaranya adalah  Kim,  J.H.,  et  al. telah  mengembangkan  tipe multi-component force/moment sensor. Peneliti lainnya adalah Joo, J.W. mengembangkan 6 component  load  cell  lainnya  dengan  PPS  (Parallel Plate  Structure)  untuk  pengukuran  3  komponen  gaya, momen  dan  torsi. Kim, Gab-Soon,  et  al. juga mengembangkan  load  cell  untuk  pengukuran  yang hampir sama

## ANALISA REGANGAN
Pembahasan  tentang  regangan  yang  terjadi  pada material  spring  element  pada  jenis  ring  load  cell  ini adalah  didasarkan  oleh pembebanan  yang  terjadi pada cantilever beam dengan bentuk beam  yang  melingkar. Proses analisa untuk mengetahui regangan dan arahnya dilakukan  dengan  menggunakan  pemodelan  dan analisa  dengan  software ANSYS.  Dengan  mengetahui distribusi  strain  yang  benar  dimana  dengan  beban rencana  yang  ditentukan  dan  diperoleh  letak  strain yang  besar  maka  akan  bisa  ditentukan  juga  peletakan dan posisi  strain  gage  untuk  merekan  regangan  yang terjadi.

## Spring Element
Salah  satu  bagian  dari  load  cell  atau  tranducer lainnya  yang  berbasis  strain  gage  adalah  spring element, dimana bagian tersebut akan menerima reaksi gaya dari luar. Pada spring element, pemilihan tempat dan lokasi yang akan ditempel strain gage yaitu bagian tertetu yang  akan terjadi  bidang regangan  yang uniform dan terisolasi dari lainnya sebagai akibat dari beban dari luar yang direncanakan.
Gbr. 1 Spesimen uji tarik
Gbr. 2 Bentuk Grafik Uji Tarik
Spring  material  pada  load  cellm  tipe  ini  dipilih material  yang  berasal  dari  paduan  aluminium  dg  type AL  2024  T-81.  Hasil  dari  uji  tarik  yang  telah
dilakukan  pada  spesimen  seperti  gambar  1  telah menghasilkan  parameter  nilai  tegangan  tarik  yield sebesar 400 MPA, tegangan tarik ultimate sebesar 500 Mpa  dan  modulus  elastisitas  sebesar 40x10 3 MPa.
Parameter-parameter  dari  sifat  mekanis  paduan aluminium tersebut menjadi masukan dalam menganalisa  distribusi  regangan  dan  tegangan  dengan menggunakan  software  finite  element.  Salah  satu grafik  hasil  ujik  tarik  ditampilkan  pada  gambar  2  di atas.
Untuk besar beban dan material  yang telah dipilih seperti  diatas,  dimensi  load  cell  ditentukan  dengan diameter  luar  sebsar  21  mm  dan  diameter  dalam sebesar 18 mm, ditunjukkan pada gambar 3. Sehingga ketebalan  cincin  adalah  1,5  mm.  Parameter  dimensi tersebut  akan  menjadi  masukan  dalam  pembuatan mesh untuk analisa dengan finite elemnet software.
Gbr. 3 Spring element load cell bentuk cincin

## Analisa Finite Element
Untuk  mendapatkan  informasi  tentang  besarnya regangan  yang  terjadi  pada  tempat  yang  akan digunakan sebagai pengukur regangan, maka dilakukan  analisa  regangan  dengan  menggunakan software  ANSYS. Pemodelan  finite  element dilakukan  dengan  menggunakan  three-dimensional all-quad,  seperti  ditunjukkan  pada  gambar  4.  Bagian bawah dari tangkai spring element dikondisikan dalam keadaan konstrain  terhadap  semua arah  displacement (x,y,z), sedangkan  ujung  bagian  atas  tangkai  spring element  diberikan  pembebanan  sesuai  beban  rencana yaitu 15 kg (147 N) dan 10 kg (98 N). Sesuai dengan hasil  percobaan  tarik,  masukan parameter  untuk
pemrogramannya adalah  Modulus  Elastisitas  bahan sebesar 40x10 3 MPa,  Yield  Stress  sebesar 400  MPa, Ultimate  Stress  sebesar 500 MPa  dan  Poisson Rationya adalah 0,3.
Gbr. 4 Meshing Spring Element
Pada  referensi karangan  Vishay, dinyatakan  bahwa untuk  single component  load  cell  dengan  bahan aluminium, strain  maksimum pada  bagian  yang  akan diukur  pada  pembebanan  rencana  maksimum  adalah sebesar 800- 1000 µε
Gbr. 5 Distribusi regangan arah sumbu Y
Gambar 5 menunjukkan image dari distribusi regangan arah Y. Dalam gambar tersebut regangan Y maksimum pada  ring  luar  dan  ring  dalam  ditunjukkan  dengan warna  merah  dan  biru.  Sedangkan  ditribusi  tegangn prinsipal  ditunjukkan  pada  gambar  6.  Tengangan maksimal  terjadi  pada sisi  dalam  dekat  tangkai  yang
ditunjukkan  dengan  warna  merah. Gambar  tersebut menunjukkan bahwa pada besar beban sebesar 98,1 N (10 kg) tegangan prinsipal yang terjadi adalah sebesar 61,375 MPa.
Gambar 7 menunjukkan  distribusi  regangan material  dari  hasil  perhitungan  dengan  menggunakan finite  element  software.  Bagian  atas  dari  sumbu  X menunjukkan  sisi  luar  permukaan  cincin,  sedangkan bagian bawah sumbu X menunjukkan sisi dalam cincin. Proses  analisa  dilakukan  dengan  memberikan  dua fariasi  beban  yaitu  sebesar  98,1  N  yang  hasilnya ditunjukan  dengan  segitiga  solid  dan  berlubang sedangkan  beban  dengan  nilai  147,1  N  hasilnya ditunjukkan  dengan  lingkaran  solid  dan berlubang pada  gambar  tersebut. Analisa  distribusi  regangan tersebut  diambil sesuai  dengan  sumbu  Y dengan  titik nol berada pada pertengahan cincin dan bernilai positif dari  tengah  kearah  atas  dan  bernilai  negatif  dari  arah ke bawah. Dari titik yang diambil yaitu mulai dari – 6 mm sampai  dengan  +6 mm diperoleh  nilai  regangan maksimal  searah  sumbu Y terdapat pada  pertengahan cincin  (Y  =  0). Pada  sisi  luar  cincing  diperoleh regangan maksimal untuk beban 147,1 N sebesar 1250 µε  dan  untuk  beban  98,1  sebesar  831 µε.  Pada  sisi dalam  cincin  diperoleh  regangan  maksimal  untuk beban 147,1 N sebesar 1840 µε dan untuk beban 98,1 sebesar 1230 µε.

## Gbr. 6 Distribusi tegangan prinsipal

## KESIMPULAN
Proses  predesain  load  cell  bentuk  ring telah dilakukan  dengan menggunakan material  aluminium paduan. Untuk mengetahui nilai sifat mekanisnya yang
F
diperlukan  sebagai  nilai  parameter  masukan  pada software  finite  element,  material  tersebut  telah  diuji tark-tekan. Proses  analisa  numerik  untuk  mengetahui regangan  pada  bagian  yang  akan  ditempel  dilakukan dengan menggunakan software finite element ANSYS. Dari hasil analisa untuk pembebanan yang telah dipilih sebagai beban maksimu load cell yaitu sebesar 98,1 N dan  147,1  N.  Pada  pembebanan  98,1  N  dihasilkan regangan  pada  titik  pertengahan  lingkaran  ring  dalam dan  luar  sebesar 1230  µε dan 831  µε . Nilai  regangan tersebut  cukup  baik  untuk  desain  load  cell  dengan beban yang telah ditentukan yaitu dibawah 98,1 N atau
dibawah 10 Kg.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Keberadaan  kegiatan  desain load  cell  ini  salah satunya  disebabkan  oleh  adanya  rencana  penelitian teknologi  hidrodinamika  sistem  tambat  laut  dalam, oleh  karena  itu  penulis  mengucapkan  terima  kasih kepada menajemen UPT BPPH yang telah memberikan  kesempatan  dan  fasilitas  sehingga terlaksananya proses desain load cell tipe ring ini.
Gbr. 7 Distribusi regangan searah sumbu Y pada sisi luar dan dalam dengan beban 98,1 N dan 147,1 N

## DAFTAR PUSTAKA
Joo,  J.W,  et  al.,  (2002).  “Design  and  evaluation  of  a six-comp onent  load  cell”,  Measurement,  32, 125-133.
Kim, Gab-Soo n, et al., (1999). “Design and fabrication of a six-component force/moment sensor” , Sens or and Actuator (A), 77, 209-220.
Kim,  J .H.,  (2003).  “Design  and  analysis  of  a  colu mn type  multi-component  force/momen t  sensor”, Measurement, 33, 213-219.
Seng  A.  Liu.,  and  Hung  L.  Tzo.,  (2002).  “A  novel six-component  force  sensor  of  good  measurement iso tropy  and  sensitivities”,  Senso r  and  Actuator
(A), 100, 223-230.
Vishay  (1998)  “Strain  gage  based  transduce r:  Their design  and  construction”,  Measurement  Group, Inc.,