CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:
ANALISIS FATIGUE LIFE STRUKTUR DUDUKAN BOGIE MONORAIL  UTM 125 KAPASITAS 24 TON MENGGUNAKAN METODE FINITE ELEMENT

## Muhammad Awwaluddin 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No.1, Tangerang
Selatan, Indonesia
E-mail : dosen00543@unpam.ac.id.
Masuk : 16 Agustus 2019 Direvisi :  5 September 2019            Disetujui : 22 September 2019
Abstrak : Struktur dudukan bogie pada monorail UTM 125 dengan kapasitas 24 ton perlu dilakukan analisis fatigue. Analisis fatigue merupakan salah satu metode untuk memperkirakan resiko kegagalan, kerusakan dan usia dari suatu   struktur   yang   diakibatkan   oleh   beban   berulang.   Dengan   analisis   fatigue,   resiko   kegagalan   struktur   dapat diperkecil sehingga dapat meminimalkan kerugian yang lebih besar. Analisis fatigue dilakukan menggunakan software finite element mengikuti diagram proses analisis. Pembebanan yang diberikan adalah beban aktual desain, beban akibat angin dan beban pada saat kereta berbelok. Dari analisis fatigue pada struktur bogie tersebut didapatkan hasil yang sudah masuk dalam katagori aman atau high cycle (infinite cycle).
Kata kunci : analisis struktur, fatigue Struktur, kerusakan struktur, Monorail.
Abstract: Bogie support on monorail UTM 125 structure with 24 ton capacities need to be fatigue analysis. Fatigue analysis is one of methods to estimate the risk of failure, damage, and age of structure caused repeated load. By fatigue analysis, the risk of structure failure and greater losses can be minimized. Fatigue analysis was performed by finite element software following the analysis process diagram. Loading given is actual load, wind load, and load when the train turns. From the fatigue analysis on the bogie structure can be said safe because entry in high cycle (infinite cycle).
Key word: Fatigue Structure, failure Structure, Monorail Structure

## PENDAHULUAN
Proses perancangan struktur dudukan bogie merupakan proses yang rumit yang harus mempertimbangkan banyak   faktor   termasuk   diantaranya   analisis   fatigue.   analisis   diperlukan   agar   dapat   memastikan   struktur   dalam memenuhi fungsinya dan mampu bertahan berdasarkan umur layanan yang telah ditetapkan. Dalam perencanaan desain dudukan boogie akan dikenakan beban dinamis lebih besar dibandingkan struktur yang lain dikarenakan pada struktur   tersebut   merupakna   tumpuan   dari   semua   beban   yang   ada   pada   gerbong   kereta.   Kriteria   desain   yang

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element ditetapkan untuk tiap struktur pada perancangan monorail berbeda beda, bergantung pada kondisi pembebanan. Pada dudukan bogie kegagalan sering terjadi diakibatkan adanya pembebanan berulang sehingga menyebabkan kelelahan struktur dan perlu untuk diwaspadai dan dilakukan analisis.
Kegagalan  struktur dapat terjadi pada struktur yang paling sederhana sampai dengan struktur yang sangat komplek, sehingga dapat berakibat pada kerugian dan bahkan dapat mengakibatkan korban Jiwa [1-4].
Analisa  kelelahan  merupakan   metode   yang   biasa   dipakai   untuk   mengetahui   penyebab  kegagalan  pada struktur.   Tujuan   analisa   adalah   untuk  mengetahui  penyebab  kegagalan pada   struktur,   sehingga  resiko   adanya kerusakan dan kerugian yang besar dapat dihindari. Dalam analisis kelelahan biasanya mengikuti kurva S-N [5].
Gambar 1. Diagram kurva S-N yang di plot dari hasil uji kelelahan pada beban aksial .
Dari gambar diatas didapat bahwa untuk N cycle 10 0 –10 3 dikategorikan siklus rendah ( low cycle) , 10 3 –10 6 dikategorikan  siklus tinggi ( high cycle) tetapi masih dalam finite cycle , sedangkan diatas 10 6 dikategorikan kekal ( infinite cycle) .

## METODOLOGI
Proses analisis fatigue life pada struktur bogie monorail UTM-125 mengikuti diagram alir pada gambar 2 dibawah. Pada Gambar 2 dibawah dijelaskan bahwa nilai R yang diberikan adalah 0,67, tipe rasio pembebanan 0,67. Waktu yang diberikan adalah 1s. Teori koreksi menggunakan gerber, tipe analisis yang dipilih adalah stress life, dan komponen tegangan  yang  diberikan  adalah  equivalent  von-mises. Untuk siklus yang  diberikan  adalah  1, berarti bahwa tiap 1 siklus berlangsung selama 1 detik, sehingga frekuensinya adalah 1 Hz.
Number of stress
Low High Finite Infinite

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
Pada diagram proses analisis, pemodelan menjadi kunci utama dalam memulai proses analisis. Jika model yang diinputkan dalm software tidak clear maka akan memberikan hasil yang kurang bagus. Langkah penentuan batasan   kondisi   (   support)   dan   pembebanan   yang   diberikan   juga   harus   disesuaikan   dengan   kondisi   actual   di lapangan. Tahapan selanjutnya adalah berikan asumsi berupa  max ,  m , R, F, serta mean stress dan faktor koreksi Gerber mean stress. asumsi R adalah 0,67 dan Frekuensi 1 Hz, untuk sekali siklus.
Gambar 2. Diagram Proses Analisis
Fatigue Start Pemodelan geometri (input struktur, meshing, load) Hasil Finite Element untuk beban statik
Masukkan Beban fatigue (  m ,  a , R, Freq) & kurva S-N material.
Tentukan N(cycle) dengan memplot  a efektif pada kurva S-N  material.
N (cycle) 10 6 ? No Hasil Analisis Yes Kesimpulan End  a effective Faktor Koreksi Gerber

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
Gambar 3. Asumsi yang diberikan pada software
Langkah berikutnya adalah proses solusi. Pada tahap ini diperoleh  m ,  a   efektif , yang kemudian oleh ansys akan di plot ke dalam kurva S-N dengan inputan tipe interpolasi sehinga diperoleh data berupa fatigue life. Hasil komparasi perhitungan secara manual dengan software ansys dapat dilihat pada Gambar  4.
Dari hasil perhitungan manual didapatkan nilai  a effective sebesar 3,59e6 sehingga hasil perhitungan manual tidak jauh beda dengan software sebesar 3,56e6 yang berarti fatigue life nya sebesar 1e7 cycle 3,59 3,56
Gambar 4. komparasi hasil perhitungan fatigue life.
Gambar 4. merupakan hasil perhitungan manual bernilai 3,59e6 Pa. Hasil perhitungan pada software ansys yang bernilai 3,56e6 Pa. Hasil perhitungan fatigue life ansys sebesar 1e7 cycle. Langkah selanjutnya adalah proses validasi, dilanjutkan tahap analisis hasil dan kesimpulan.

## PEMODELAN FINITE ELEMENT
Pemodelan finite element diperlukan untuk mendapatkan nilai tegangan. Pada struktur dudukan bogie monorail UTM-125 digunakan software solid work yang kemudian di importkan ke dalam software finite element analysis, FEA ) ANSYS 14.0 tahun 2012.  Desain awal  dibuat oleh PT. MBW [6] dan perubahan desain dilakukan dalam penelitian ini. Material yang dipakai adalah SS 400 [9,10]. Data struktur mengikuti tabel 1. dan gambar struktur seperti pada Gambar 5.
Tabel 1. Profil dan Dimensi Struktur Dudukan bogie
No Keterangan Dimensi 1 mp tgh cross channel: 1 UNV 150 mm, l =
ISSN 2620-6706
Mean Stress Correction Theory Constant Amplitudo Load Ratio Beberapa Asumsi Yang diberikan pada ansys Ratio 0,67 Gerber Mean Stress 0 (Pa) Cycle Log10
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019 Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
dan 2 1900 mm 2 mp tgh spring pad: 1, 2, 3, 4 t = 20 mm, l = 100 mm, p= 260 mm 3 mp tgh spring pad stiffener: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Segitiga, t = 150 mm, a = 80 mm, 4 mp tgh bolster pad: 1 Square 380 mm 5 mp tgh cross flat bar: 1, 2, 3, 4 p= 685 mm, l= 52 mm 6 mp tgh cross channel beam : 1, 2 Siku 60, p= 250 mm 6 mp tgh cross channel beam revision: 1, 2 Pelat p= 230 mm, l=
60 mm, t = 15 mm
Gambar 5. Struktur dudukan bogie
MESHING PROCESS
langkah setelah proses pemodelan adalah proses meshing. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 6.
Meshing Sebelum Perubahan Desain
Meshing Sesudah Perubahan Desain

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
Gambar 6. Hasil meshing pada ansys.
Hasil proses meshing diperoleh elemen sebanyak 265741 dan node sebanyak 483751 serta derajat kebebasan sebanyak 1451253. kualitas element dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Hasil Pengecekan kualitas element
Kualitas element yang diperoleh dari hasil proses meshing masuk dalam kategori kualitas elemen yang baik. Dengan kualitas elemen tersebut dapat diteruskan kelangkah selanjutnya pada pembebanan fatigue sampai langkah solusi.

## PEMODELAN SUPPORT DAN PEMBEBANAN
Proses pembebanan pada  struktur dudukan bogie dirancang dengan memperhitungkan beban yang diterima sebesar 12 ton. Hal inii didasarkan pada beban maksimal gerbong sebesar 24 ton dan dibagi kedalam dua struktur dudukan bogie. Beban terdiri dari: beban hidup ( life load ), beban angin, Equipment load , dan longitudinal load . Struktur dudukan bogie di support pada bagian bawah yang akan terhubung dengan bogie. Support arah samping
ISSN 2620-6706
Hasil Perbesaran Meshing Sesudah Perubahan Desain
Element Metric
Number of Element Metric

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
diberikan sebagai assumsi adanya tiang pada struktur dudukan bogie sebagai penguat gerbong monorail. Pemodelan dapat dilihat pada gambar 8. Dibawah ini.

## Support and Loading
Support Live load 12 Ton asumsi berat penumpangplus equipment 24Ton, maka 1 frame dudukan Boogie menerima beban 12Ton. Support Support Support Wind load 8 Ton Centrifuge load 10 Ton
Gambar 8. Pemodelan Support dan Pembebanan.

## HASIL ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Dengan asumsi bahwa 1 cycle berlangsung selama 1 detik serta toleransi beban plus minus 20 %, maka diperoleh hasil pada Gambar 9.

## Fatigue Life
Life Max: 1e6 cycle Life Min : 15703 cycle
Gambar 9. Hasil solusi 1 fatigue life pada desain lama
Hasil anlaisis ini didapatkan life max sebesar 1e6 cycle, namun masih didapatkan life minimal sebesar 15703 cylce yang artinya masuk kategori low cycle sehingga perlu dilakukan perubahan desain dan proses diulang seperti
ISSN 2620-6706

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element awal. Perubahan dilakukan dengan memberikan chamfer pada daerah yang low cycle dan hasilnya dapat dilihat pada gambar 10. Setelah dilakukan champer ternyata life minimalnya naik menjadi 19674 cycle. Daerah life minimalnya juga berpindah sehingga perlu dilakukan perbaikan lagi pada area tersebut.
2 Fatigue Life 1 Life Max: 1e6 cycle Life Min : 19674cycle
Gambar 10. Hasil solusi 2 fatigue life pada desain lama
Perbaikan desain dilakukan dengan melakukan chamfer pada area dua dan didapatkan hasil fatigue life max 1e6 cycle dan fatigue life min 45475 cycle. Dari hasil memang menunjukkan kenaikan namun masih dalam batas low cycle sehingga harus dilakukan perbaikan. Hasil solusi 3 dapat dilihat pada gambar 11 dibawah ini:
2 3

## Fatigue Life
Life Max: 1e6 cycle Life Min : 45475cycle
Gambar 11. Hasil solusi 3 fatigue life desain lama

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
3 4 Fatigue Life Life Max: 1e6 cycle Life Min : 98317cycle
Gambar 12. Hasil solusi 4 fatigue life desain lama
Pada solusi 4 seperti pada gambar 12. telah dilakukan perubahan pada desain solusi 3 namun masih dalam batas low cycle sehingga perlu dilakukan perubahan desain seperti pada solusi 5. Hasil solusi lima adalah:
4 5

## Fatigue Life
Life Max: 1e6 cycle Life Min : 1,1482e5cycle
Gambar 13. Hasil solusi 5 fatigue life pada desain lama
Dari hasil solusi 5 dapat dilihat bahwa fatigue life minimal adalah 1,1482e5 cycle yang berarti sudah masuk kedalam high cycle ( finite life).
Selain dilakukan solusi untuk fatigue life juga dilakukan solusi untuk mengetahui nilai von-misses stress nya pada analisis fatigue untuk setiap tahapan dapat dilihat pada Gambar 14:

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
1 2 3 4 5 Equivalent von-misses stress No Equivalent von- misses stress (max) Equivalent von-misses stress (min) 1 2,2966e8 3952.6 2 2,1503e8 5512.7 3 1,7107e8 2826.1 4 1,3864e8 3270.6
5 1,3284e8 2988.1 1500 50001500 10000150 15000150 20000150 25000150 1 2 3 4 5 6 7 E q u iv a le n t St re ss ( P a ) GrafikVon-Misses Stress
Gambar 14. Hasil solusi equivalent von-misses stress untuk tiap tahapan solusi.
Dari hasil yang diperoleh dapat dilihat bahwa solusi equivalent von-misses stress nomor 5 lebih baik diantara yang lain, hal ini ditunjukkan pada tabel dan grafik yang ada pada gambar 14.
Dilakukan juga solusi untuk deformasi yang terjadi pada masing masing tahapan perbaikan dapat dilihat pada Gambar 15.
1 2 3 4 5 Total Deformasi No Total deformasi (mm) 1 0.7501 2 0.75168 3 0.75315 4 0.66702 5 0.67419 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 3 4 5 Total deformasi (mm)
Gambar 15. Hasil solusi total deformasi untuk setiap tahapan perbaikan.
Total deformasi terkecil pada solusi ke 4 kemudian diikuti solusi nomor 5. dapat dilihat pada tabel dan grafik pada Gambar 15.
Dikarenakan   hasil   maksimal   yang   didapatkan   belum   memenuhi   kriteria   yang   dipersyaratkan   maka   dilakukan perubahan desain seperti terlihat pada gambar 5. Hasil analisisnya adalah sebagai berikut:
Tabulasi data equivalent von-misses stress akibat pembebanan statis selama 1 detik dengan 5 step adalah sebagai berikut:

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element
Gambar 16. Tabulasi data Equivalent von-mises stress desain perubahan dengan pembebanan statis
Fatigue life yang diperoleh dari hasil analisis dengan asumsi 1 cycle berlangsung selama 1 detik dan toleransi pembebanan plus minus 20 % dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 17. Hasil solusi fatigue life desain baru
Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa fatigue life struktur mencapai 1e7 setelah dilakukan perubahan desain dengan mengganti suppot siku 60 menjadi pelat dengan tebal 15 mm, lebar 60 mm, panjang 250 mm.
Safety faktor dari struktur yang sudah diperbaiki dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Safety faktor mengalami peningkatan dari min 0,6 menjadi min 15 dengan maksimum safety faktor 15
Gambar 18. Hasil solusi sefaty faktor analisis fatigue desain lama dan desain baru
Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa safety faktornya mencapai 15.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019 Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element

## KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah:
1. Desain   struktur   dudukan   bogie   yang   diperbaharui   telah   memenuhi   batas   nilai   fatigue   life   yang   ditentukan dengan nilai maksimal fatigue life 1e7 cycle dan fatigue life minimal 1e7 cycle.
2. Safety faktor struktur setelah perubahan desain mengalami peningkatan dari 0,649 menjadi 15.
3. Hasil perhitungan manual  a efektif tidak jauh berbeda dibandingkan hasil perhitungan  a efektif pada software. Hal ini terlihat pada Gambar 8.
4. Faktor bentuk sangat mempengaruhi nilai fatigue life, hal ini dapat dilihat pada hasil dari tiap tahapan dan hasil perbaikan desain.
5. Untuk meningkatkan nilai fatigue life dapat dilakukan dengan membentuk chamfer, fillet atau menghaluskan permukaan, mengganti bentuk part ataupun mengganti material.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Jung-Kyu   Kim,   Dong-Suk   Shim,   “   The   variation   in   fatigue   crack   growth   due   to   the   thickness   effect”, International Journal of Fatigue, Vol. 22, 2000, pp. 611-618.
[2] R. Kieselbach, “Curious cases of failure”, Engineering Failure Analysis, Vol. 11, 2004, pp. 501-513.
[3] Volker   Esslinger,   Rolf   Kieselbach,  Roland   Koller,   Bernhard   Weisse,"   The   railway   accident   of   Eschede   – technical background", Engineering Failure Analysis , Vol. 11, 2004, pp. 515-535.
[4] A.J. McEvily, " Failures in inspection procedures: case studies", Engineering Failure Analysis , Vol. 11, 2004, pp. 167-176
[5] Muhammad   Awwaluddin,   dkk   “   Analisa   Fatigue   Life   Struktur   Mekanik   Pasien   Pada   Perangkat   Renograf Terpadu Menggunakan Metode Finite Element”, Jurnal Perangkat Nuklir, Volume 09, Nomor 01, Juni 2015, pp. 37-48.
[6] A.  Jalil, Awwaluddin M., “ Analisis Kelelahan Pada Struktur Landasan Rangka Pada Perekayasaan Pesawat Sinar-x Digital Menggunakan Metode Elemen Hingga, Jurnal Perangkat Nuklir, Vol. 07, No. 01, Juni 2013, pp. 41-50.
[7] Haftirman, The Size Effect on Fatigue Strength of Structural Steel Materials in High-humidity Environment, Proceedings of International Conferences on Applications and Design in Mechanical Engineering, Malaysia, 2009.
[8]   L.   Raymond.,   E.   P.   Browell.   “   Predicting   Fatigue   Life   with   ANSYS   Workbench”,   International   ANSYS Conference May 2-4, 2006.
[9] Popov, E.P., Mechanics of Materials , Berkeley, California, 1984.
[10] Oberg,   Erik.,   Jones,   Franklin.,   Horton,   Holbrook.,   Ryffel,   Henry.,   McCauley,   Christopher.,   Machinery's Handbook 29th Edition , 2012

## Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2019
Muhammad Awwaluddin, Analisis Fatigue Life Struktur Dudukan Bogie Monorail  Utm 125 Kapasitas 24 Ton Menggunakan Metode Finite Element