Abstrak —Material  komposit  saat ini terus berkembang, salah satunya  adalah  material  komposit  laminat.  Material  komposit laminat  terdiri  dari  lamina-lamina  dimana  ikatan  yang berdekatan  kerap  terdeformasi,  yang  biasa  disebut  sebagai delaminasi . Delaminasi pada  material  komposit  laminat  dapat dianalisis  menggunakan  metode  numerik  dimana  dalam penelitian  ini  menggunakan software yang  berbasis  elemen hingga,  yaitu  ANSYS Mechanical /APDL.  Untuk  mengetahui proses delaminasi yang  terjadi, double  cantilever  beam di modelkan dengan pemberian beban berupa displacement . Variasi penelitain  yang  digunakan  diantaranya  arah  serat,  letak initial crack ,  dan  panjang initial  crack .  Dari  hasil  simulasi  didapatkan bahwa, double  cantilever  beam dengan  panjang initial  crack 30 mm dan arah serat 0 o memiliki reaction force yang paling tinggi, yaitu  116.68  N  pada  ketebalan beam yang  sama. Double cantilever  beam dengan  panjang initial  crack 55  mm  dan  arah serat  90 o membutuhkan reaction  force yang  paling  kecil diantaranya,  yaitu  22.9  N. Double  cantilever  beam yang dibeberapa kasus memiliki tebal yang berbeda memberikan hasil yang  menunjukkan  bahwa  semakin  tebal beam maka reaction force yang dibutuhkan semakin besar.
Kata  Kunci — Cohesive  Zone  Model , Delaminasi , Double Cantilever Beam , Komposit Laminat

## I. PENDAHULUAN
EWASA  ini,  material  komposit  sering  digunakan  untuk mengganti  material-material  konvensional.  Hal  ini dilakukan  karena  material  komposit  memiliki  sifat  material yang  lebih  unggul  daripada  material-material  konvensional. Penggunaan  material  komposit  ini  sendiri  sebenarnya  sudah dimulai  sejak  ribuan  tahun  yang  lalu,  bahkan  sebelum  Masehi. Puncak  penggunaan  material  komposit  sendiri  bermula  pada akhir  abad  20  dimana  penggunaan  material  komposit  banyak menggantikan  material-material  konvensional  hingga  sekarang [1].
Di  dunia  teknik,  penggunaan  material  komposit  sangat dominan  dibidang  aerospasial  dan  otomotif,  seperti  mobil  dan alat  transportasi  lain.  Hal  ini  dikarenakan  material  komposit memiliki  sifat  kombinasi  yang  diinginkan  di  beberapa  hal seperti perancangan struktur, biaya manufaktur, dan ketahanan fatik yang tida.k didapatkan dari material konvensional [2].
Dominannya  penggunaan  material  komposit  menuntut industri  manufaktur  agar  mampu  memprediksikan  kekuatan dan  ketahanan  material  komposit  dengan  baik.  Karena
kegagalan pada material komposit dapat menyebabkan hal yang fatal.  Salah  satu  kegagalan  yang  sering  terjadi  pada  material komposit  adalah  pengelupasan  antar  lamina  atau delaminasi [3].  Simulasi  mengenai delaminasi yang  terjadi  material komposit  dengan  tiga  variabel  yang  berbeda  ini  (arah  serat, panjang initial  crack ,  dan  letak initial  crack ),  diharapkan simulasi  ini  dapat  digunakan  untuk  memprediksikan  proses delaminasi yang terjadi pada material komposit laminat dengan menggunakan  metode cohesive  zone  model pada  simulasi menggunakan software yang berbasis elemen hingga, ANSYS Mechanical /APDL.
Cohesive  z  one  model adalah  teknik  batasan  kerja  dari continuum  damage  mechanics yang  dapat  memprediksikan inisiasi  dan  perambatan delaminasi pada  material  komposit. [4].  Menurut  Camanho  [5],  terdapat  beberapa  beberapa kelebihan dari metode ini, yaitu:
1. Mampu  memprediksikan  inisiasi  dan  pertumbuhan delaminasi tanpa membuat asumsi retak sebelumnya.
2. Dapat  diaplikasikan  pada  struktur  yang  kompleks  yang ditujukan untuk pembebanan yang kompleks.
Cohesive  zone  model menghubungkan traction dengan displacement pada interface dimana  retakan  atau crack dapat berkembang. Sifat dari cohesive zone model ini dinyatakan oleh Gambar  1.  Kurva bilinear tersebut  mempunyai  sifat  seperti berikut:
1. Area elastis awal memiliki sifat kekakuan ( stiffness ) yang tinggi  hingga  tegangan  mencapai interface  strength (σ max ).
2. Berikutnya  diikuti  dengan  area  pelunakan  ( softening ) hingga tegangan mencapai nol.
3. Area  dibawah  kurva  sama  dengan interlaminar  fracture toughness (G IC )
Gambar 1. Bilinear constitutive equation cohesive element [4]

## Evaluasi Numerik untuk Delaminasi Komposit

## Double Cantilever Beam dengan Cohesive Zone Model
Nuri Setyo Taufiqqurrahman, Mas Irfan P. Hidayat, dan Amaliya Rasyida Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : irfan@mat-eng.its.ac.id
D
M.  Meo  dan  E.  Thieulot  (2005)  melakukan  penelitian menggunakan  metode cohesive  zone  model (CZM), virtual crack  closure  technique (VCCT),  dan tiebreak  contact .  Pada penelitian  dengan  teknik  pertama  dan  kedua, cohesive  zone model dengan  perbedaan  pada interface ,  memberikan  hasil yang  positif  dimana  kurva load-displacement menunjukkan tren  yang  sama.  Sedangkan  untuk  teknik  yang  ketiga,  VCCT, yang  menggunakan energy  release  rate sebagai  acuan menunjukkan  tren  yang  tidak  jauh  berbeda  dengan  teknik pertama,  CZM.  Tren  yang  berbeda  ditunjukkan  oleh  teknik keempat, tiebreak  contact .  Teknik  ini  tidak  mampu memprediksikan  proses  pertumbuhan delaminasi dengan akurat.  Alasan  utama  mengapa  hal  ini  dapat  terjadi  adalah karena  kriteria  kegagalan  yang  ditetapkan  berdasarkan  pada tegangan  maksimal interlaminar dan  bukan  pada energy release  rate kritis walaupun terdapat pertumbuhan delaminasi sebelum energy release rate kritis tercapai [6] .
Reis  dkk.  (2009)  meneliti  mengenai  pengaruh  panjang  dari initial  crack pada fracture  toughness mode  I  dengan double cantilever beam test . Kegagalan delaminasi juga diprediksikan menggunakan  metode  simulasi  dengan exponential  cohesive model .  Dari  penelitiannya,  Reis  dkk.  menyimpulkan  bahwa double  cantilever  beam yang  dimodelkan  menggunakan interface element dengan metode energi kohesif sesuai dengan kurva load-displacement yang  didapatkan  secara  numerikal dan  eksperimental.  Sensitivitas  relatif  cukup  baik  terhadap parameter  numerik  (G IC dan  vc). Initial  crack yang  semakin panjang  akan  menghasilkan rigidity yang  lebih  kecil  dan  tidak mempengaruhi damage progression [7].
Pada  tahun  2014,  Giuliese  dkk.  melakukan  penelitian numerikal  mengenai delaminasi menggunakan teknik cohesive zone  model .  Sebelumnya,  Giulese  dkk.  telah  terlebih  dahulu meneliti  masalah delaminasi pada beam dua  dimensi.  Dengan bekal penelitian sebelumnya tersebut, Giulese dkk. mengembangkan  konsep  ini  lebih  lanjut  menjadi  tiga  dimensi. Double  cantilever  beam dengan  Mode  I  dijadikan  sebagai geometri  penelitian. Properties dari  material  komposit  yang digunakan  telah  ditentukan.  Begitu  pula  dengan  dimensi  dari double  cantilever  beam .  Hasilnya,  penelitian  yang  dilakukan sesuai dengan teori yang ada [8].
Pada tahun 2014, Wassem dan Kumar melakukan penelitian menggunakan  dua  metode,  yaitu  VCCT  dan  CZM.  Penelitian dilakukan  dengan  menggunakan software ANSYS Workbench dengan  model  dua  dimensi.  Keduanya  memberikan  hasil simulasi  yang  baik. Akan tetapi, VCCT menaksir critical load yang  terlalu  tinggi;  sedangkan  CZM  menampilkan  hasil  yang memuaskan  karena  hasil  dari  pemodelan  menunjukkan keserasian  dengan  hasil  eksperimen  untuk  metode  kontak  dan interface .  Selain  itu,  Waseem  juga  menyimpulkan  bahwa dengan bertambahnya ketebalan double cantilever beam , maka gaya  yang  dibutuhkan  untuk  mendeformasikan cohesive  zone akan  semakin  meningkat  seperti  pada  Gambar  2. Double cantilever  beam dengan  ketebalan  3  mm  membutuhkan force yang paling besar dibandingkan dengan double cantilever beam dengan tebal 2 mm, 1.5 mm, 1.2 mm, dan 1 mm [9].
Gambar  2.  Kurva  reaction force-displacement dengan  ketebalan  beam  yang berbeda [9]
Penelitian ini mengkombinasikan beberapa variabel, spesimen,  dan  metode  dari  penelitian-penelitian  sebelumnya mengenai delaminasi .  Material  komposit  yang  diteliti  adalah material komposit double cantilever beam dengan serat karbon dan  matriks  epoksi.  Penelitian  numerik  ini  menggunakan software yang  berbasis  metode  elemen  hingga,  ANSYS Mechanical /APDL, dengan variabel arah serat karbon, panjang initial crack , dan letak initial crack .

## II. METODE PENELITIAN

## A. Spesifikasi Material
Pada penelitian ini, digunakan material komposit berpenguat karbon  dengan  matriks epoksi. Tabel  1 menunjukkan material properties dari double  cantilever  beam dan  Tabel  2 menunjukkan material  properties dari cohesive  zone  model . Sifat dari material yang digunakan dalam penelitian diambil dari penelitian  Camanho  [5]  yang  telah  dilakukan  olehnya  pada tahun 2002.
Tabel 1. Sifat mekanik dari material komposit [5] Sifat Mekanik Nilai Unit Modulus Elasticity (E) E 11 150 GPa E 22
11 E 33 11 Poisson’s Ratio (v) v 12 0.25 -
v 13 0.45 v 23
0.25 Shear Modulus (G) G 12 6 GPa
G 13 3.7 G 23
6 Tabel 2. Sifat mekanik dari cohesive zone [5] Sifat Mekanik Nilai Unit Maximum normal stress (σ max ) 45 MPa
Fracture toughness Mode I ( G IC ) 0.268 kJ/m 2 Stiffness penalty ( K ) 10 6 N/mm

## B. Parameter
Terdapat tiga parameter yang digunakan pada penelitian ini, yaitu  arah  serat,  letak initial  crack (a 0 ),  dan  panjang initial
crack (a 0 ).  Parameter  ini  dapat  dilihat  di  Tabel  3.  Dari parameter-parameter  ini  kemudian  dibuat  variasi  penelitian seperti yang terlihat pada Tabel 4.
Tabel 3. Parameter penelitian Parameter Arah Serat Letak Initial crack (a 0 ) Panjang Initial crack (a 0 ) Kode AS MID/BOT 55/45/30 Variasi 1 0 o Tengah 55 mm Variasi 2 90 o Bawah 45 mm Variasi 3 - - 30 mm Tabel 4. Variasi penelitian Kasus Arah Serat Panjang Initial crack Letak Initial crack Kode 1 0 o 55 Tengah AS00-55-MID 2 90 o 55 Tengah AS90-55-MID 3 0 o 55 Bawah AS00-55-BOT 4 90 o 55 Bawah AS90-55-BOT 5 0 o 45 Tengah AS00-45-MID 6 90 o 45 Tengah AS90-45-MID 7 0 o 45 Bawah AS00-45-BOT 8 90 o 45 Bawah AS90-45-BOT 9 0 o 30 Tengah AS00-30-MID 10 90 o 30 Tengah AS90-30-MID 11 0 o 30 Bawah AS00-30-BOT 12 90 o 30 Bawah AS90-30-BOT

## C. Pemodelan
Penelitian  ini  menggunakan double  cantilever  beam dengan dimensi seperti yang terlihat pada Gambar 3. Kemudian double cantilever  beam ini  disimulasikan  dengan software yang berbasis elemen hingga, yaitu ANSYS Mechanical /APDL. Double  cantilever  beam kemudian  diberikan  beban  berupa displacement di  salah  satu  ujung  dan  ujung  lainnya  dijepit  ke segala arah, seperti yang terlihat pada Gambar 4.
Gambar 3. Sketsa double cantilever beam
Gambar  4. Double  cantilever  beam yang  telah  dimodelkan  pada  ANSYS Mechanical /APDL dan diberikan displacement

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses delaminasi pada double  cantilever  beam yang  telah diberikan  beban  berupa displacement dapat  dilihat  pada Gambar 5.
(a) (b) (c)
Gambar  5.  Proses delaminasi saat  (a)  awal  pembebanan  (b)  tegangan maksimum (c) setelah tegangan maksimum
Tegangan maksimum tercapai saat reaction force (gaya yang dibutuhkan  untuk  merusak cohesive  zone )  maksimum  dengan nilai displacement yang berbeda pada setiap variasi penelitian.
A. Pengaruh Arah Serat
Gambar 6. Kurva hasil pembebanan untuk arah serat yang berbeda pada kasus 1 dan 2
Dari  Gambar  6  terlihat  bahwa  arah  serat  yang  berbeda membutuhkan reaction  force yang  berbeda.  Kasus  dengan nomor  urutan  ganjil  (kasus  1,3,5,7,9,  dan  11)  memiliki konfigurasi  arah  serat  0 o .  Hasilnya, reaction  force yang dibutuhkan  lebih  besar  daripada  kasus  dengan  nomor  urutan genap  (kasus  2,4,6,8,10,  dan  12)  yang  memiliki  konfigurasi arah  serat  90 o .  Hal  ini  sesuai  dengan  teori  bahwa  kekuatan material  komposit  bernilai  besar  pada  arah  fiber  dan  bernilai kecil ada arah melintang [1], [10].

## B. Pengaruh Panjang Initial Crack
Terdapat  tiga  variasi  panjang initial  crack pada  penelitian ini,  yaitu  55  mm,  45  mm,  dan  30  mm.  Hasil  pada  tiap  variasi dapat  dilihat  pada  Tabel  5.  Selain  itu,  Gambar  5  juga memberikan informasi mengenai perbedaan nilai reaction force dan displacement.
Pada  Gambar  7  terlihat  bahwa  semakin  kecil initial  crack maka  semakin  besar reaction  force yang  dibutuhkan  untuk merusak cohesive zone . Kasus 1 memiliki panjang initial crack 30  mm  dengan reaction  force sebesar  116.68  N,  kasus  5  45 mm dengan reaction force 81.7 N, dan kasus 9 55 mm dengan reaction  force 66.7  N.  Hal  ini  sesuai  dengan  teori  yang  ada [11], [7].
Gambar  8  menunjukkan  bahwa  letak  dari initial  crack mempengaruhi reaction force yang dibutuhkan untuk merusak cohesive zone . Letak initial crack yang berada ditengah-tengah (seperti  Gambar  3)  memiliki  nilai reaction force yang berbeda dengan initial  crack yang  berada  di  bagian  bawah  (seperti Gambar  9).  Semakin  tebal beam ,  maka  semakin  besar  nilai reaction force . Kato dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa semakin  tipis coating maka  proses delaminasi akan  semakin mudah terjadi [12]. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang telah dilakukan. Beam dengan ketebalan 2.64 mm membutuhkan reaction force lebih besar daripada beam dengan ketebalan 1.98 mm dan 1.32 mm.
Gambar 7. Kurva hasil pembebanan untuk panjang initial crack yang berbeda pada kasus 1, 2, dan 9

## C. Pengaruh Letak Initial Crack
Gambar  8.  Kurva  hasil  pembebanan  untuk  letak initial  crack yang  berbeda pada kasus 1 dan 3
Gambar 9. Double cantilever beam dengan ketebalan yang berbeda
Dari  hasil  ini  diketahui  bahwa  susunan  material  komposit harus  disesuaikan  dengan  kebutuhan  sifat  material  yang diinginkan,  misalnya  komponen  sayap  terbang.  Samsu  dan Pramono (2012) menyatakan bahwa komponen sayap pesawat terbang  hendaknya  memiliki  tegangan  maksimum  yang  tinggi. Dalam  penelitiannya,  perbedaan  arah  serat  memberikan  efek yang  cukup  signifikan.  Sayap  pesawat  dengan  arah  serat  0 o mampu  menahan  tegangan  lebih  tinggi  87.9%  dibandingkan dengan arah serat 90 o . Oleh karena itu, jika material komposit diaplikasikan  sebagai  material  sayap  pesawat,  maka  arah  serat dengan orientasi 0 o akan memberikan kekuatan yang lebih baik dibandingkan  dengan  material  komposit  dengan  orientasi  arah serat 90 o [13]
Nilai displacement untuk  semua  kasus dengan arah serat 0 o lebih rendah dibandingkan dengan kasus dengan arah serat 90 o . Munasir  (2011)  dalam  penelitian  eksperimentalnya  juga mendapati  hasil  yang  sama.  Material  komposit  yang  hanya memiliki  arah  serat  longitudinal  memiliki  nilai  elongasi  yang lebih rendah daripada material komposit dengan dua arah serat yang berbeda. Sehingga untuk mendapatkan material komposit dengan  elongasi  yang  lebih  baik  dan  nilai  kekuatan  yang  baik maka  dapat  digunakan  kombinasi  laminat  dengan  perpaduan dua arah yang berbeda [14].

## IV. KESIMPULAN
Dari  hasil  penelitian  dapat  disimpulkan  bahwa  arah  serat berpengaruh  terhadap  sifat  material  komposit.  Nilai reaction force dari  material  komposit  dengan  arah  serat  0 o lebih  besar rata-rata 66% dibandingkan dengan nilai reaction force dengan arah  serat  90 o .  Posisi initial  crack juga  memberikan  pengaruh terhadap reaction  force .  Hal  ini  berkaitan  dengan  ketebalan beam.  Beam yang  memiliki  tebal  2.64  mm  rata-rata membutuhkan reaction  force 30%    lebih  besar  dibandingkan dengan beam dengan  ketebalan  1.32  mm.  Selain  itu,  panjang initial  crack memiliki  andil  yang  cukup  besar  dalam  proses delaminasi . Initial  crack yang  memiliki  panjang  30  mm cenderung  membutuhkan reaction  force 31%  lebih  besar  jika dibandingkan dengan initial  crack dengan panjang 45 mm dan 42% dengan 55 mm.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  yang  sebesar-besarnya  kepada  semua  pihak yang  telah  membantu  penulis  dalam  menyelesaikan  penelitian ini,  terutama  kepada  keluarga  tercinta  yang  telah  memberikan
dukungan moril dan materil yang tiada henti.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Sulistijono. 2012. Mekanika Material Komposit. ITS Press: Surabaya.
[2] Campbell,  F.C.  2010.  Structural  Composite  Materials.  ASM
International. United States.
[3] Garg,  Amar.  1988.  Delamination-A  Damage  Mode  in  Composite Structures.  Aeronautical  Engineering  Department,  Indian  Institute  of
Technology, Bombay-400 076, India.
[4] Seedifar,  Milad,  dkk.  2015.  Prediction  of  Delamination  Growth  in Laminated  Composites  Using  Acoustic  Emission  and  Cohesive  Zone modeling Techniques. Elsevier: 120-127.
[5] Camanho,  P.  Pedro,  Davila.  2002.  Mixed-Mode  Decohesion  Finite Elements  for  the  Simulation  of  Delamination  in  Composite  Materials.
NASA/TM-2002-211737.
[6] Meo,  M.,  dan  E.  Thieulot.  2005.  Delamination  Modelling  In  A  Double cantilever beam. Elsevier: 29–43.
[7] Reis, dkk. 2009. Analysis Of The Initial Delamination Size On The Mode I  Interlaminar  Fracture  Of  Carbon/Epoxy  Composites.  Journal  of Composite Materials, Vol. 43, page: 2609-2621.
[8] Giuliese,  G.,  A.  Pirondi,  dan  F.  Moroni.  2014.  A  Cohesive  Zone  model for  Three-dimensional  Fatigue  Debonding/  Delamination.  Procedia
Materials Science 3: 1473 – 1478.
[9] Wasseem,  Mohammed,  dan  Kirain  Kumar.  2014.  Finite  Element Modelling  for  Delamination  Analysis  of  Double  cantilever  beam Specimen. SSRG-IJME. India.
[10] Callister, William. 2010. Materials Science and Engineering.  John Wiley and Sons, Inc. United States of America. Page: 660.
[11] Anderson,  Ted.  2005.  Fracture  Mechanics:  Fundamental  and Applications. Taylor and Francis. Boca Raton. Hal: 25-31.
[12] Kato,  Masahiko,  dkk.  2013.  Effects  of  coating  thickness  and  interfacial roughness  on  cracking  and  delamination  strength  of  WC–Co  coating measured by ring compression Test. IOP Publishing: Jepang
[13] Hidayat,  Samsu,  dan  Agus  Sigit  Pramono.  2012.  Kajian      Pengaruh Arah   Serat   Komposit   Pada  Sayap  HSFTB  V2  Berdasarkan  Gaya
Aerodinamika. ITS Surabaya.
[14] Munasir.  2011.  Studi  Pengaruh  Orientasi  Serat  Fiber  Glass  Searah  dan Dua  Arah  Single  Layer  terhadap  Kekuatan  Tarik  Bahan  Komposit Polypropylene.  Jurnal  Penelitian  Fisika  dan  Aplikasinya.  Universitas Negeri Surabaya.