Suryo, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 237-243

## Optimasi Desain Bucket Tooth Excavator Jenis Verona PC200 Menggunakan Optimasi Topologi dan Metode Elemen Hingga
Sumar Hadi Suryo a, *, Rachmat Suryadi Sastra a, **, Muchammad a a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *E-mail: sumarhs.undip@gmail.com; **E-mail: rachmatss@student.undip.ac.id

## Abstract
Excavators are heavy equipment that are usually used to digging soil, cut rock, break roads or knock down buildings. One component that plays a role in this function is bucket tooth. This research discusses the optimization design of bucket tooth on the market to produce a lighter design but still maintains its strength,  the  bucket  tooth  is  Verona  PC200.  The  optimization  process  in  a  bucket  tooth  applies  the concept of topology optimization. The method used includes determining the type of material used by various  tests,  namely  the  composition  test,  micrographic  test,  and  hardness  test.  Then  a  static  linear analysis is performed using the finite element method to see the maximum stress that occurs in the bucket tooth. the maximum Von-mises value is 403.81 MPa. After that topology optimization is done by selecting several variations of the design area which results in a reduction in mass in first variation of 0.72 kg and the second variation 1.49 kg. The mass reduction causes a change in stress that occurs in the bucket tooth  to  451.8  MPa  in  first  variation  and  458.6  MPa  in  variation  2,  but  the  stress  is  still  in  a  safe condition.

## Keywords: Bucket tooth; finite element method; topology optimization

## Abstrak
Excavator merupakan  alat  berat  yang  biasanya  digunakan  untuk  menggali  tanah,  membelah  batu, membongkar  jalan  atau  merobohkan  bangunan.  Salah  satu  komponen  yang  berperan  dalam  fungsi tersebut adalah bucket tooth . Pada penelitian ini membahas tentang perancangan optimasi bucket tooth yang  ada  di  pasaran  untuk  menghasilkan  desain  yang  lebih  ringan  tetapi  tetap  mempertahankan kekuatannya, bucket tooth tersebut adalah Verona PC200. Proses optimasi pada bucket tooth menerapkan konsep optimasi topologi. Metode yang dilakukan meliputi penentuan jenis material yang dipakai dengan berbagai pengujian yaitu uji komposisi, uji mikrografi dan uji kekerasan. Kemudian dilakukan analisis linear statik menggunakan metode elemen hingga untuk melihat tegangan maksimum yang terjadi pada bucket tooth , besarnya nilai tegangan Von-mises sebesar 403,81 MPa. Selanjutnya dilakukan optimasi topologi dengan memilih beberapa variasi area desain yang menghasilkan reduksi massa dalam variasi pertama  sebesar  0,72  kg  dan  pada  variasi  kedua  1,49  kg.  Reduksi  massa  tersebut  menyebabkan perubahan tegangan yang terjadi pada bucket tooth menjadi 451,8 MPa pada variasi pertama, dan 458,6 MPa pada variasi kedua, namun tegangan tersebut masih dalam kondisi aman.
Kata kunci: Bucket tooth ; metode elemen hingga; optimasi topologi.

## 1. Pendahuluan
Bucket tooth merupakan salah satu bagian penting pada excavator dikarenakan memiliki peran utama saat proses penetrasi atau penggalian [1]. Bagian ini sering mengalami kontak langsung dengan medan penggalian  yang berbeda- beda. Oleh karena itu sifat mekanis bucket tooth harus kuat, keras dan tahan aus. Namun, disamping sifatnya tersebut sebuah bucket  tooth perlu  diganti  setelah  melalui  periode  kerja  tertentu  yang  menyebabkan  meningkatnya  biaya operasional [2]. Maka dari itu penulis melakukan optimasi desain pada bucket tooth yang telah ada di pasaran agar dapat menghasilkan  desain yang  lebih  ringan,  sehingga  dapat  mengurangi kadar  material bucket  tooth yang  terbuang  akibat waktu pergantian.
Dalam penelitian ini perancangan desain menggunakan pendekatan dari desain asli yang didapat dari pasaran. Untuk properties material yang akan diinput dalam simulasi, penulis merujuk pada penelitian yang dilakukan oleh Arief yang menjelaskan bahwa material bucket tooth yang dia uji adalah AISI 4140 [3]. Dalam simulasi ini digunakan metode linear statik  untuk  proses  optimasi.  Optimasi  yang  dilakukan  adalah  optimasi  topologi.  Tujuan  utama  dari  proses  optimasi topologi ini adalah untuk mengurangi volume dari design variable yang telah ditentukan dengan cara memaksimalkan
Suryo, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 237-243
nilai kekakuan dari struktur yang diizinkan [4-5]. Fungsi objektif dari optimasi topologi merupakan nilai fungsi linear dari equilibrium  displacement  field ,  fungsi  linear  ini  disebut compliance yang merupakan inverse dari  nilai  kekakuan sehingga ketika nilai compliance minimum didapatkan nilai kekakuan maksimum [6].

## 2. Material dan Metode Penelitian

## 2.1 Identifikasi Material
Pada penelitian ini, penentuan material bucket tooth yang digunakan merujuk pada penilitian Muhammad Arief yang membahas tentang karakterisasi material pada bucket tooth yang sudah ada di pasaran, yaitu AISI 4140 [3]. Data-data yang diperoleh dari penelitian tersebut diperlukan dalam proses optimasi desain bucket tooth kali ini. Data tersebut dapat dilihat pada Tabel 1 sebagai berikut.
Tabel 1. Data Karakteristik material AISI 4140 [3]. No. Data karakteristik AISI 4140
Nilai 1 Modulus Elastisitas (E) 205 GPa 2 Poisson Ratio 0.29 3 Massa Jenis 7.85e-08 4 Yield Strength 1515

## 2.2 Diagram Alir
Pada penelitian ini terdapat langkah-langkah simulasi linear statik dan optimasi bucket tooth yang mengacu pada diagram alir Gambar 1.
Suryo, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 237-243

## 2.3 Proses Permodelan 3D Bucket Tooth
Bucket tooth yang dipakai dalam penelitian ini adalah bucket tooth jenis Verona PC200 seperti pada Gambar 2 (a). Pembuatan desain bucket tooth menggunakan software CAD dengan menggunakan pendekatan dari desain aslinya. Pada Gambar  2  (b)  diperoleh  hasil  desain  3D bucket  tooth .  Software  CAD  yang  digunakan  untuk  memodelkan  adalah Solidworks 2016.
(a) (b)
Gambar 2 Desain bucket tooth , (a) Verona PC200, (b) Hasil Desain CAD

## 2.4 Pemodelan Linear Statik dan Uji Konvergensi
Permodelan  linear  statik  dipengaruhi  oleh  suatu  gaya  yang  bekerja  pada bucket  tooth .  Pada  penelitian  ini  gaya diperoleh dari bucket curling force (Fb) [7] pada excavator Komatsu PC200 sebesar 157000 N. Diketahui bahwa jumlah bucket tooth pada bucket sebanyak 5 unit, sehingga gaya Fb tersebut dibagi ke 5 unit yang menghasilkan gaya 31400 N pada setiap bucket tooth .  Untuk kondisi maksimum, gaya terjadi pada sudut 32 derajat terhadap bucket tooth sehingga menimbulkan arah gaya seperti pada Gambar 3.
Gambar 3. Bucket curling force pada permodelan linear statik

## 2.5 Proses Optimasi
Metode optimasi yang digunakan merupakan optimasi topologi menggunakan perangkat lunak altair optistruct [5]. Pada  desain bucket  tooth dilakukan  optimasi  topologi  dikarenakan  bentuknya  merupakan  struktur  3D  continuum  dan optimasi topologi menghasilkan pengurangan massa yang lumayan besar. Berikut ini adalah langkah-langkah menentukan strategi optimasi topologi:
1) Menentukan design variable Penentuan design variable bertujuan untuk menentukan bagian dari desain yang dapat diubah secara optimal. Pada penelitian ini terdapat dua variasi pemberian design variable untuk dibandingkan hasilnya yang dapat dilihat pada Gambar  4.  Warna  biru  menunjukan design  variable sedangkan  warna  merah  menunjukan  bagian non-design variables atau daerah yang tidak bisa dirubah.
(a) (b)
Gambar 4. Design variable 1 (a); Design variable 2 (b) 2) Menentukan Constraint
Desain constraint merupakan batasan yang terikat dengan respon agar hasil optimasi bisa diterima. Pada optimasi ini desain constraint berupa volume fraction sebesar 70%.
3) Menentukan Respon Struktur
Respon merupakan perhitungan performa sistem yang kita tentukan sesuai dengan constraint dan objective dari apa yang akan kita tentukan. Pada proses optimasi ini respon yang digunakan berupa weight compliance dan volume fraction.
Suryo, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 237-243
4) Menentukan Objective
Objective merupakan  tujuan  setiap  fungsi  respon  yang  akan  dioptimalkan,  responnya  merupakan  variabel  dari desainnya. Pada optimasi ini objektifnya berupa minimize weight compliance . 5) Menentukan Manufacturing Constraint
Kekhawatiran  dalam  optimasi  topologi  adalah  konsep  desain  dikembangkan    sering  tidak  dapat  diproduksi. Optistruct menawarkan  sejumlah  metode  berbeda  untuk  memperhitungkan  kemampuan  manufaktur  ketika melakukan  optimasi  topologi  [5].  Oleh karena  itu manufacturing  constraint harus  ditentukan  agar  hasil  optimasi dapat di manufaktur, dengan cara menentukan :
a. Minimum member size control
Minimum member size control digunakan untuk menentukan dimensi terkecil yang harus dipertahankan dalam desain topologi. Pada penelitian ini ditentukan nilai minimum member size control senilai 0,16 mm.
b. Draw Direction
Draw  direction digunakan  untuk  mendapatkan  desain  yang  cocok  jika  dilakukan  proses casting .  Dalam prosesnya rongga-rongga yang tidak terbuka dan searah dengan arah geser dari die tidak diperbolehkan.
c. Pattern Grouping
Pattern  grouping adalah  fitur  untuk  menentukan  satu  bagian  dari  domain  yang  harus  dirancang  dalam  pola tertentu,  misalkan  untuk  mendapatkan  desain  simetris  bahkan  jika  beban  yang diterapkan  pada  struktur  tidak simetris. Pada penelitian ini menggunakan symmetry pattern grouping .
3 Hasil Dan Pembahasan

## 3.1 Hasil Simulasi Linear Statik
Untuk  mengetahui  apakah  material  yang  digunakan  tidak  mengalami  kegagalan  dan  dapat  dioptimasi  dilakukan analisa  linear  statik  untuk  mendapatkan  nilai  von-mises  dari  suatu  desain  dengan  material  yang  didapatkan  dari  hasil identifikasi [8]. Hasil analisa linear statik dapat dilihat pada Gambar 5. Berdasarkan hasil simulasi linear statik nilai von- mises yang dihasilkan sebesar 403,39 MPa.
Gambar 5. Nilai von-mises bucket tooth Verona PC200

## 3.2 Hasil Uji Kovergensi
Untuk menentukan jumlah elemen yang sesuai untuk dilanjutkan dengan proses optimasi dilakukan uji konvergensi terlebih dahulu [9] yang dapat dilihat pada Tabel 2 sampai didapat hasil yang konvergen pada setiap kenaikan elemen dengan melakukan perbaikan mesh secara bertahap dan pada daerah tertentu. Tabel 2. Nilai tegangan maksimum von mises tiap elemen
No Tegangan Maksimum (MPa) Jumlah Elemen 1 385.798 137.181 2 400.047 144.937 3 407.501 151.890 4 403.968 429.426 5 403.309 447.866
Berdasarkan variasi kenaikan elemen pada Tabel 2 diatas, semakin elemen bertambah maka tegangan yang terjadi tetap  sama,  sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  pada  elemen-elemen  tersebut  menunjukan  sudah  konvergen.  Pada penelitian  ini  menggunakan  elemen  paling  banyak  pada  hasil  uji  konvergensi  ke-5,  yaitu  447.886.  Berikut  ini  adalah gambar distribusi tegangan yang terjadi pada bucket tooth.
Gambar 6. Nilai von-mises uji konvergensi 1.
Gambar 7. Nilai von-mises uji konvergensi 2.
Gambar 8. Nilai von-mises uji konvergensi 3.
Gambar 9. Nilai von-mises uji konvergensi 4.
.
Gambar 10. Nilai von-mises uji konvergensi 5.

## 3.3 Hasil Optimasi Topologi
Hasil optimasi diilustrasikan pada Gambar 11 dan Gambar 12 dengan elemen ρ>0,5 dimana material dihilangkan dari bagian yang tidak terlalu dipengaruhi oleh gaya yang diberikan sehingga diperoleh bucket tooth yang lebih ringan dengan  tegangan  yang  tidak  berbeda  jauh.  Pada  hasil  optimasi  desain  variabel  2    mengalami  sedikit  kenaikan  pada tegangan maksimum von-mises namun masih dibawah 5% sehingga masih dapat diterima.
Gambar 12. Hasil optimasi topologi desain variabel 2.
Hasil optimasi diatas dapat diketahui secara komputasional melalui grafik weight compliance pada hasil optimasi desain variabel 1 dengan desain variabel 2 yang ditunjukkan Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 13. Grafik nilai compliance desain variabel 1.
Gambar 14. Grafik nilai compliance desain variabel 2.

## 3.4 Pembahasan Hasil Optimasi Topologi
Optimasi  topologi  merupakan  salah  satu  bentuk  optimasi  yang  sering  diterapkan  pada  suatu  struktur  [10]. Pengaplikasian optimasi topologi pada penelitian ini bertujuan untuk merubah desain bucket tooth jenis Verona PC200 menjadi desain yang lebih ringan. Pendekatan yang dipakai menggunakan metode distribusi elemen density atau SIMP method yang merubah struktur bucket tooth yang kontinum menjadi struktur diskrit berupa elemen-elemen [11]. Dengan metode tersebut dapat menghasilkan desain bucket tooth yang lebih ringan dan optimal. Hal tersebut ditunjukan dengan perbandingan hasil optimasi desain antara desain awal dan desain setelah optimasi pada Tabel 3 berikut.
Tabel 3. Perbandingan desain awal dan sesudah optimasi.
Pembanding Desain variabel 1 Desain variabel 2 Massa awal 6,25 kg 6,25 kg Massa setelah optimasi 5,53 kg 4,97 kg Tegangan maksimum awal 403,31 MPa 403,31 MPa Tegangan maksimum setelah optimasi 451,8 MPa 458,6 MPa Safety factor 3,35 3,30
Suryo, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 237-243

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat dismpulkan bahwa setelah dilakukan simulasi linear statik menggunakan metode elemen hingga didapatkan nilai tegangan maksimum von-mises sebesar 403,81 MPa. Dari hasil  optimasi  topologi  didapatkan  penurunan  massa  pada  desain  variabel  pertama  sebesar  0.72  kg  dan  pada  desain variabel  2  sebesar  1,49 kg.  Selain  itu  tegangan  maksimum  von-mises  pada  variasi  1  mengalami  peningkatan menjadi sebesar 451,8 Mpa, sedangkan pada variasi 2 sebesar 458,6 Mpa.  Akibat dari peningkatan tegangan tersebut membuat nilai safety factor dari desain variabel pertama bernilai 3,35 dan desain variabel kedua bernilai 3,30 dimana bisa dikatakan nilai  dari  tegangan  yang  terjadi  pada  kedua  desain  walaupun  cenderung  naik  tetapi  masih  dinyatakan  aman.  Jika dibandingkan antara kedua hasil optimasi dari kedua desain bahwa yang paling optimal dari aspek wear-life adalah hasil dari variasi design variable pertama, sedangkan untuk aspek optimasi compliance adalah hasil dari variasi design variable kedua.

## Daftar Pustaka
[1]  B. P. Shaikh,” Analysis of Bucket Teeth of Backhoe Excavator Loader and its Weight Optimization” International Journal of Engineering Research & Technology , Vol. 4 Issue 05, 2015
[2]  Fernandez J.E., Vijande R., Tucho R., Rodriguez J., Martin A., ''Materials selection to excavator tooth in mining industry" Elsevier, Wear , pp. 11–18, 2001.
[3]  Muhammad Arief R.R, “Analysis of AISI material power of AISI 4140 bucket teeth excavator using influence of abrasive wear”, AIP Conference Proceeding , 2018.
[4]  Altair HyperWorks Help. [Referred 10.4.2013]. Available:
http://www.altairhyperworks.com/hwhelp/Altair/hw12.0/index.aspx
[5]  Altair Optimization Guide Book, Practical Aspect of Structure Optimization, 2015.
[6]  Bendsøe,  M.P.  Sigmund,  O,  Topology  Optimization.  Theory,  Methods  and  Applications.  Berlin  Heidelberg, Germany: Springer-Verlag, 2003, ISBN 3-540-42992-1.
[7]  SAE J1179: Hydraulic Excavator and Backhoe Digging Force. Warrendale: SAE International , 1990.
[8]  Dagwar, K. S. Telrandhe, R. G. “Failure Analysis of Excavator Bucket Tooth.” International Journal of Scientific Research and Engineering Studies , pp. 2349-8862, vol.5, 2015.
[9]  Oñate, E. “Structural Analysis with the Finite Element Method.” Linear Statics Lecture Notes on Numerical Methods in Engineering and Sciences . Barcelona: Artes Gráficas Torres S.A., 2003.
[10]  Selley, et all, Engineering Optimization. Budapest, 2012.
[11]  Christensen,  Peter  W.  Klarbring,  A.  “An  Introduction  to  Structural  Optimization”.  Berlin  Heidelberg,  Germany: Springer-Verlag. ISBN-13: 978- 1402086656, . 2008.