SIMULASI PEMBEBANAN IMPAK PADA HELMET SEPEDA MATERIAL KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Pradipta S. S. 1 , Bustami Syam 2 , M. Sabri 3 , Tugiman 4 , Ikhwansyah Isranuri 5 , Syahrul Abda 6 , Mahadi 7 1,2,3,4,5,6,7 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Email : sigitsaelan92@gmail.com

## ABSTRAK
Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital manusia yaitu kepala dari benturan yang  berbahaya.  Desain  helmet  sepeda  berbeda  dari  helmet  sepeda  motor  karena  kecepatan  sepeda hanya sekitar 15 km/jam. Pada umumnya beban impak yang dialami pada helmet sepeda terjadi pada sisi  samping  dan  belakang.  Untuk  mengetahui  distribusi  tegangan  dan  regangan  perlu  dilakukan simulasi  dan  verifikasi  simulasi  pengujian  impak  jatuh  bebas  dilakukan  dengan  eksperimental  uji impak jatuh bebas. Penelitian ini melakukan simulasi pembebanan impak pada helmet sepeda. Helmet dimodel  dengan  menggunakan  Solidwork  2013  dan  disimulasi  menggunakan software ANSYS  14.0 Workbench yang  berbasis Finite  Element  Method (FEM)  untuk  dibandingkan  dengan  helmet  yang diuji  secara  eksperimental.  Pada  penelitian  ini,  berhasil  ditemukan  bahwa  dari  hasil  simulasi  uji impak  jatuh  bebas  sisi  samping  helmet  pada  ketinggian  1  m  dan  kecepatan  4429  mm/s  diperoleh tegangan  maksimum  1,405  Mpa  dan  tegangan  pada  sisi  samping  adalah  0,938  MPa,  untuk  sisi belakang  dengan  tinggi  dan  waktu  yang  sama  diperoleh  tegangan  maksimum  0,905  Mpa  sementara tegangan  pada  sisi  belakang  helmet  adalag  0,603  MPa.  Regangan  maksimum  yang  diperoleh  pada simulasi uji impak jatuh bebas sisi samping helmet adalah 0,04, untuk sisi belakang helmet diperoleh regangan maksimum 0,043. Dari pengujian impak jatuh bebas diperoleh tegangan sisi samping 1,029 MPa, dan untuk sisi belakang diperoleh 0,683 MPa. Dengan membandingkan tegangan hasil simulasi dan hasil eksperimental uji impak jatuh bebas sisi samping selisih 0,091 MPa atau 9,73%, sedangkan untuk sisi belakang diperoleh selisih 0,08 MPa atau 13,26%.

## Kata kunci: Helmet Sepeda, Software ANSYS 14.0, Impak jatuh bebas

## 1. PENDAHULUAN
Penggunaan material komposit busa polimer sangat luas pengaplikasiannya, diantaranya yaitu pada  material  insulasi  panas,  lightweight construction ,  peradam  getaran  dan  suara,  serta  peredam impak.
Keunggulan  komposit  busa  polimer  untuk  mengurangi  berat  menjadi  nilai  tambah  Sejak penggunaan  blowing  agent  konvensional  seperti mono  fluoro  trichloro  methane (R11)  dan difluoro dichloro methane (R12) dinyatakan mengakibatkan penipisan  ozon, penggunaan blowing agent yang ramah lingkungan dalam rekayasa material busa polimer menjadi isu yang penting.
Pada penelitian ini digunakan blowing agent berupa sodium bikarbonat dan asam asetat yang biasanya digunakan dalam industri makanan dan tentu aman bagi lingkungan dan kesehatan.
Serat  alam  yang  digunakan  sebagai  penguat  adalah  serat  dari  tandan  kosong  kelapa  sawit (TKKS)  yang  telah  diteliti  di  Fakultas  Teknik  Universitas  Sumatera  Utara  sejak  tahun  2009.  Serat TKKS  merupakan  serat  alam  yang  diolah  dari  tandan  kosong  kelapa  sawit  sisa  dari  proses  produksi crude  palm  oil .  Berdasarkanpenelitian–penelitian  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  serat  alam  dari tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS)  diperkirakan  ekonomis  dan  dikembangkan  menjadi  material altematif yang hemat energi dan ramah lingkungan. TKKS merupakan limbah dari pengolahan kelapa sawit yang selama ini hanya dibuang begitu saja atau dimanfaatkan sebagai pupuk alam atau dibakar untuk  menghasilkan  abu  gosok.  Pemanfaatan  limbah  TKKS  ini  menjadi  produk  yang  berdaya  guna sudah  dilakukan  dewasa  ini,  diantaranya  marka  kerucut  lalu  lintas, bumper  parking ,  bola golf ,  pipa dan papan partikel.
sepeda dengan material yang ramah lingkungan layak untuk dikembangkan. Material yang digunakan untuk  membuat  helmet  sepeda  ini  sangat  baru,  sehingga  harus  ditemukan  dulu  proses  dan  cara pembuatannya serta mengetahui komposisi yang tepat. Disisi lain apabila berhasil, helmet sepeda ini akan memiliki nilai ekonomis yang tinggi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Helmet adalah alat yang digunakan sebagai pengaman bagian vital manusia yaitu kepala dari benturan yang berbahaya. Helmet yang digunakan oleh pengguna  sepeda, didesain berbeda dari helm sepeda motor karena kecepatan sepeda hanya sekitar 15 km/jam.[1]
Komposit  adalah  penggabungan    dari  bahan  yang  dipilih  berdasarkan  kombinasi  sifat  fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang baru dan unik dibandingkan  sifat  material  dasar  sebelum  dicampur  dan  terjadi  ikatan  permukaan  antara  masing- masing  material  penyusunnya.  Material  komposit  terdiri  dari  dua  bagian  utama  yaitu  matriks  dan penguat (reinforcement).[2]
Keunggulan  komposit  dapat  dilihat  dari  sifat-sifat  bahan  pembentuknya  serta  ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
a. Bahan ringan, kuat dan kaku.
b. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
c. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan yaitu kekuatan yang tinggi, keras, ringan serta tahan terhadap impak.
Material yang dikembangkan pada penelitian ini yaitu komposit busa polimer diperkuat serat TKKS sebagai bahan teknik alternatif. Berdasarkan penelitian sebelumnya diketahui bahwa parameter tipikal tandan kosong kelapa sawit per kg mayoritas adalah 35% serat dan 29% larutan alkali, dengan unsure lainnya dengan persentase 0,06-5,40%.[3]  Komposit ini  menggunakan unsaturated polyester resin (UPR)  sebagai  matrik  dan  serat  TKKS  yang  telah  di- treatment ,  sebagai  penguat.  Untuk mendapatkan  busa  ( foam ),  sodium  bikarbonat  yang  digunakan  sebagai blowing  agent direaksikan dengan asam asetat serta diberi panas, setelah proses curing diperoleh komposit busa polimer dengan densiti rendah.[4]
Dari  material  diatas  dibuat  dalam  beberapa  spesimen  uji  yang  divariasikan  ke  dalam  tiga komposisi seperti diperlihatkan pada tabel 2.1.
Tabel 2.3. Komposisi spesimen Spesimen Resin (wt%) Serat TKKS (wt%) Blowing Agent (wt%) A B C 80 77.5 75 5 7.5 10 15 15 15
Selama  ini  helm  industri  diuji  menggunakan  standar  teknik  jatuh  bebas.  Pengujian  standard ini  bertujuan  untuk  melihat  sejauh  mana  kemampuan  helm  dalam  menyerap  energi  impak  (impact energy  test),  Selain  itu  uji  standar  juga  bertujuan  meneliti  kepatahan  rusak  helm  (penetration  test) yang memungkinkan merusak lapisan cangkang helm.[5]
Sebuah  benda  jatuh  bebas  dari  keadaan  semula  berhenti  mengalami  pertambahan  kecepatan selama  benda  tersebut  jatuh.  Jika  benda  jatuh  ke  bumi  dari  ketinggian  tertentu  relatif  lebih  kecil dibandingkan  dengan  jari-jari  bumi,  maka  benda  mengalami  pertambahan  kecepatan  dengan  harga yang sama setiap detik.[6]
Untuk menyelesaikan masalah numerik digunakan alat bantu software Ansys. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri IGES atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys.
Metode  elemen  hingga  merupakan  metode  yang  digunakan  oleh  para engineer untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis yang dihadapinya. Adapun permasalahan teknik  dan  problem  matematis  yang  dapat  diselesaikan  dengan  menggunakan  metode  elemen  hingga dapat dibagi dalam dua kelompok, yaitu masalah analisa struktur dan non struktur. [7]
Secara  umum  langkah-langkah  yang  dilakukan  dalam  metode  elemen  hingga  dilakukan melalui beberapa tahap, yaitu:
a. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi.
b. Pemilihan fungsi pemindahan/fungsi interpolasi.
c. Mencari hubungan strain-displacement dan stress-strain .

## 3.  METODOLOGI
Desain  helmet  sepeda  digambar  dengan software solidwork  2013.  Desain  helmet  dibuat sederhana. Struktur helmet sepeda yang dijadikan objek penelitian mempunyai dimensi  panjang 265 mm, lebar 210 mm, dan tinggi 145 mm dengan lingkar kepala 540 s.d 580 mm. Desain helmet sepeda yang telah selesai dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Desain helmet sepeda sederhana
Software yang  digunakan  adalah  ANSYS  14 Workbench dengan  basis  Metode  Elemen  Hingga (MEH).  Langkah  simulasi  dengan  menggunakan  program  ANSYS Workbench dapat  dilakukan melalui 8 langkah, yaitu:
1. ANSYS Workbench
2. Engineering Data
3. ANSYS Design Modeler
4. Membuat Anvil Rata
5. ANSYS Mechanical
6. ANSYS Solution
7. ANSYS Solver
8. ANSYS Post-Processor
Adapun data simulasi yang diperlukan meliputi:
1. Massa jenisnya adalah 665 kg/m 3 .
2. young’s modulus 37.859 Mpa.
3. poisson ratio 0.33.
4. Kecepatan awal (v) 4429 mm/s.
5. Anvil material structural steel.
6. Kekakuan material helmet flexible dan material anvil rigid.

## 4.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembebanan  diberikan  pada  bagian    samping  dan  belakang  dari  struktur helmet sepeda.  Ini dikarenakan  bagian  tersebut  merupakan  bagian  yang  memiliki  kemungkinan  terbesar  mengalami benturan.
Pada  gambar  2  yaitu  pada  sisi  kiri  yang  mengalami  impak  jatuh  bebas,  dapat  dilihat  hasil distribusi  tergangan  dari  simulasi  didapat  bahwa  tegangan  maksimum  sebesar  1,40  MPa,  sementara untuk daerah impak tegangan yang terjadi adalah sebesar 0,938 MPa.
Gambar 2. Distribusi tegangan pada sisi kiri helmet sepeda
Selain  distribusi  tegangan  pada  sisi  kiri  yang  mengalami  impak  jatuh  bebas,  juga  dapat diamati  distribusi  tegangan  yang  terjadi  pada  sisi  depan,  sisi  kanan  dan  sisi  belakang  helmet  yang mana dapat dilihat secara berurut pada gambar 3, 4, dan 5.
Gambar 3. Distribusi tegangan pada sisi depan helmet sepeda
Gambar 4. Distribusi tegangan pada sisi kanan helmet sepeda
Titik terjadinya tegangan maksimum adalah pada Node ID : 258 yaitu pada koordinat (100,5 , 15,122  ,  -121,11  ).  Secara  grafik  besarnya  nilai  tegangan  dari  simulasi  uji  impak  jatuh  bebas  sisi samping helmet diperlihatkan pada gambar 6.
Gambar 6. Grafik equivalent stress
Pada gambar 6 menunjukkan  grafik tegangan terhadap waktu dan tegangan  maksimum  yang terjadi yaitu sebesar 1,407 MPa pada waktu 5 ms.
Untuk  distribusi  tegangan  normal  pada  sumbu-x,  sumbu-y,  dan  sumbu-z  dari  simulasi  uji impak jatuh bebas sisi kiri helmet diperoleh distribusi tegangan yang dapat dilihat secara berurut pada gambar 7, 8, dan 9.
Gambar 7. Distribusi tengan normal pada sumbu-x
Gambar 8. Distribusi tengan normal pada sumbu-y

## Gambar 9. Distribusi tengan normal pada sumbu-z
Tegangan  maksimum  yang  terjadi  pada  sumbu-x    adalah  sebesar  0,203  MPa.  Tegangan maksimum  pada  sumbu-y  adalah  sebesar  0,286  MPa.  Untuk  tegangan  maksimum  pada  sumbu-z adalah sebesar 1,366 MPa.
Selain tegangan, dari simulasi  juga  didapatkan  hasil  distribusi regangan seperti pada gambar 10.
Gambar 10. Distribusi regangan pada sisi kiri helmet sepeda
Dari  gambar  10  diperoleh  regangan  maksimum  sebesar  0,04.  Dapat  diamati  juga  distribusi regangan  yang  pada  sisi  depan,  sisi  kanan  dan  sisi  belakang  helmet  dan  dapat  dilihat  secara  berurut pada gambar 11, 12, dan 13.
Gambar 11. Distribusi regangan pada  sisi depan helmet

## Gambar 12. Distribusi regangan pada  sisi kanan helmet
Gambar 13. Distribusi regangan pada  sisi belakang helmet
Secara  grafik  besar  nilai  regangan  dari  simulasi  uji  impak  jatuh  bebas  sisi  samping  helmet dapat dilihat pada gambar 14.
Gambar 14. Grafik equivalent elastic strain

## Hasil Simulasi Sisi Belakang Helmet
Pada gambar 16 dapat dilihat hasil  distribusi tegangan dari simulasi  didapat bahwa tegangan maksimum  sebesar  1,905 MPa,  sementara  untuk  daerah  impak  tegangan  yang  terjadi  adalah  sebesar 0,603 MPa.
Gambar 15. Distribusi tegangan pada sisi belakang helmet sepeda
Selain  distribusi  tegangan  pada  sisi  belakang,  dapat  diamati  distribusi  tegangan  pada  sisi depan dan sisi samping helmet dapat dilihat secara berurut pada gambar 16,dan 17.
Gambar 16. Distribusi tegangan pada sisi depan helmet sepeda
Gambar 17. Distribusi tegangan pada sisi samping helmet sepeda Titik  terjadinya  tegangan  maksimum  adalah  pada Node  ID :  1053  yaitu  pada  koordinat  (- 54,777 , 151,55 , -208,86 ). Secara grafik besarnya nilai tegangan dari simulasi uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet diperlihatkan pada gambar 18.

## Gambar 18. Grafik equivalent stress
Pada gambar 18 menunjukkan grafik tegangan terhadap waktu dan tegangan maksimum yang terjadi yaitu sebesar 0,905 MPa pada waktu 2,5 ms.
Untuk  distribusi  tegangan  normal  pada  sumbu-x,  sumbu-y,  dan  sumbu-z  dari  simulasi  uji impak jatuh bebas sisi belakang helmet diperoleh distribusi tegangan yang dapat dilihat secara berurut pada gambar 19, 20, dan 21.
Gambar 19. Distribusi tengan normal pada sumbu-x
Gambar 20. Distribusi tengan normal pada sumbu-y
Gambar 21. Distribusi tengan normal pada sumbu-z
Tegangan maksimum yang terjadi pada sumbu-x adalah sebesar 0,365 MPa. Sementara  pada sumbu-y tegangan maksimum adalah sebesar 0,103 MPa. Untuk sumbu-z tegangan maksimum adalah sebesar 0,308 MPa
Selain tegangan, dari simulasi  juga  didapatkan  hasil  distribusi regangan seperti pada gambar 22.
Gambar 22. Distribusi regangan pada sisi belakang helmet sepeda
Dari gambar 22 diperoleh regangan maksimum sebesar 0,043. Selain distribusi regangan pada sisi  belakang,  dapat  diamati  pula  distribusi  regangan  yang  terjadi  pada  sisi  depan  dan  sisi  samping helmet yang mana dapat dilihat secara berurut pada gambar 23, dan 24.
Gambar 23. Distribusi regangan pada  sisi depan helmet
Gambar 24. Distribusi regangan pada  sisi samping helmet
Secara  grafik  besar  nilai  regangan  dari  simulasi  uji  impak  jatuh  bebas  sisi  samping  helmet dapat dilihat pada gambar 25.
Gambar 25. Grafik equivalent elastic strain

## Kumpulan Data Hasil Pengujian Jatuh Bebas Secara Eksperimental
Pengujian  impak  jatuh  bebas  terhadap  sisi  samping helmet sepeda  pada  ketinggian  1  meter diperoleh data-data, antara lain:
a. Gaya rata-rata adalah 257,33N.
b. Luas area impak 250 mm 2 .
c. Tegangan yang terjadi adalah 1,029 MPa.
Pengujian  impak  jatuh  bebas  terhadap  sisi  belakang helmet sepeda  pada  ketinggian  1  meter diperoleh data-data, antara lain:
a. Gaya rata-rata adalah 239 N.
b. Luas area impak 350 mm 2 .
c. Tegangan yang terjadi adalah 0,683 MPa.

## Perbandingan Tegangan Simulasi dengan Uji Eksperimental
Dari  hasil  simulasi ANSYS  Workbench 14.0  akibat  impak  jatuh  bebas  sisi  samping  helmet diperoleh  tegangan  maksimum Solid  Von  Mises pada helmet sepeda  adalah  1,405  MPa,  regangan maksimum  0,040.  Sementara  tegangan  yang  terjadi  pada  sisi  samping  adalah  0,938  MPa. Perbandingan antara simulasi dengan hasil experimental dapat ditunjukkan pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1. Perbandingan hasil simulasi dengan ansys dan eksperimental sisi kiri helmet
Dari  hasil  simulasi ANSYS  Workbench 14.0  akibat  impak  jatuh  bebas  sisi  belakang  helmet diperoleh  tegangan  maksimum Solid  Von  Mises adalah  0,905  MPa,  regangan  maksimum  0,043. Sementara  tegangan  pada  sisi  belakang  helmet  adalah  0,603  MPa.  Perbandingan  antara  simulasi dengan hasil experimental dapat ditunjukkan pada Tabel 4.2
Tabel 4.2. Perbandingan hasil simulasi dengan ANSYS dan eksperimental sisi belakang helmet

## Diskusi
Pada  simulasi  uji  impak  sisi  samping  helmet  diketahui  bahwa  tegangan  area  impak  adalah 0,938  MPa  sedangkan  pada  daerah  yang  berkontur  merah  terjadi  pemusatan  tegangan  dan  terjadi tegangan  maksimum  dengan  nilai  1,405  MPa,  pada  titik  ini  lah  terjadinya  keretakan  atau  kegagalan pertama kali dan mnjalar sampai pada daerah aman yang berkontur biru. Dan dari distribusi tegangan normal dapat dilihat tegangan terbesar terjadi kearah x.
Sementara pada simulasi uji impak sisi belakang helmet sepeda tegangan pada daerah impak adalah  0,603  MPa  dan  daerah  yang  berkontur  merah  terletak  pada  sebelah  kiri  dan  sebelah  kanan daerah  impak  yang  mana  menunjukkan  didaerah  tersebut  terjadi  pemusatan  tegangan  dan  terjadinya tergangan maksimum dengan nilai 0,905 MPa pada daerah ini lah diindikasi terjadinya keretakan atau kerusakan  pertama  kali.  Pada  distribusi  tegangan  normal  dilihat  penyebaran  tegangan  terjadi  cukup merata  pada arah  x,  y,  dan  z  dengan  tergangan  tertinggi  terjadi  pada arah  z  dengan  nilai  0,368  MPa dan terendah pada arah y dengan nilai 0,1 MPa.

## 5.  KESIMPULAN
Setelah  seluruh  penelitian  dilaksanakan  serta  menganilasi  seluruh  hasil,  maka  didapat kesimpulan sebagai berikut:
1. Dari hasil simulasi uji  impak  jatuh bebas sisi samping helmet dengan  ketinggian 1  meter dan kecepatan  4429  mm/s    diperoleh  tegangan  maksimum  1,405  MPa  dan  tegangan  pada  sisi samping  0,938  MPa,  untuk  sisi  belakang  dengan  tinggi  dan  waktu  yang  sama  diperoleh tegangan  maksimum  0,905  MPa  dan  tegangan  pada  sisi  belakang  0,603  MPa.  Dari  simulasi juga  didapat  distribusi  regangan  dan  regangan  maksimum  yang  diperoleh  pada  simulasi  uji impak  jatuh  bebas  sisi  samping  helmet  adalah  0,04,  sedangkan  untuk  sisi  belakang  helmet diperoleh regangan maksimum 0,043.
2. Dengan membandingkan tegangan yang terjadi pada hasil simulasi dan hasil eksperimental uji impak  jatuh  bebas  sisi  samping  diperoleh  tegangan  hasil  simulasi  0,938  MPa  dan  hasil eksperimental  1,029  MPa  maka  diperoleh  selisih  0,091  MPa  atau  berbeda  9,73%,  sedangkan untuk  sisi  belakang  diperoleh  tegangan  hasil  simulasi  0,603  MPa  sedangkan  hasil eksperimental 0,683 MPa maka diperoleh selisih 0,08 MPa atau berbeda 13,26%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] http://id.wikipedia.org/wiki/Helm/ 31 Januari 2014 jam 21:00
[2] Chawla,  K.K.  1987. Composite  materials , First  Ed.  Berlin:  Springer-Verlag  New  York Inc.
[3] Nuryanto,  E.  Pemanfaatan  Tandan  Kosong Kelapa  Sawit  Sebagai  Sumber  Bahan  Kimia. Warta PPKS : 137-144. 2004.
[4] Zulfikar. 2010. Pembuatan dan Penyelidik-kan Perilaku Mekanik Material Polymeric Foam Diperkuat  Serat  TKKS  Akibat  Beban  Statik  dan  Impak.  Program  Magister  Teknik  Mesin USU.
[5] Rahmat  K.S.  2011.  Pengukuran  Helmet Sepeda  Motor  Yang  Dikenai  Beban  Impak Menggunakan  Metode  Jatuh  Bebas,  Tesis Master, USU.
[6] Khurmi R.S. AN ISO 9001 : 2000 Company., A  Text  Book  of  Mechanical  Engineering ,  S. Chand  &  Company  Ltd.,  Ram  –  Nagar,  New Delhi – 110055.
[7] Mhd Daud Pinem. 2013. ANALISIS SISTEM MEKANIK ANSYS. Bandung : Wahana Ilmu Kita.