## SIMULASI UJI IMPACT PADA DESAIN VELG BERBAHAN ASTM A299 DIAMETER 15 INCH DENGAN STANDARD UJI SAE J175

## SIMULATION OF IMPACT TEST ON THE DESIGN OF ASTM A299 MATERIALS 15 INCH VELG WITH SAE J175 STANDARD TEST
Dedi Sofyan 1) , Adhes Gamayel 2) , M Zaenudin 3)* 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin Universitas Global Jakarta, Depok, Indonesia email: dedisofyan48@gmail.com 1) , adhes@jgu.ac.id 2) , mzaenudin@jgu.ac.id 3)*
Received: 25 Mei 2023
Accepted: 28 Juni 2023 Published: 30 Juni 2023

## Abstrak
Velg mobil memiliki peranan penting dalam menopang beban dari kendaraan, sehingga velg diharuskan memiliki kekuatan dan desain yang mampu menahan beban kendaraan. Velg yang baik harus mampu menahan beban kendaraan juga benturan  yang  terjadi  selama  penggunaan.  Benturan  yang  terjadi  akan menimbulkan  tegangan  pada  material  velg.  Besarnya  tegangan  dapat disimulasikan  menggunakan  perangkat  lunak  berbasis computer  aided engineering (CAE).  Penelitian  mensimulasikan  tumbukan  pada  uji  impak dengan  standar  SAE  175,  dengan  impak  3200  Newton  dan  material  velg menggunakan ASTM A299 yang memiliki modulus elastisitas sebesar 200 GPa dan yield  strength sebesar  275  MPa.  Desain  velg  memiliki  perbedaan  desain yang terletak pada jari-jarinya berbentuk V dengan besaran sudut V velg model 1 sebesar 22°, velg model 2 sebesar 50°, dan velg model 3 sebesar 90°.  Hasil simulasi pada nilai tegangan dan regangan menunjukkan bahwa semakin besar nilai  sudut  V  velg,  maka  semakin  kecil  nilai  tegangan  dan  regangan  yang dihasilkan akibat tumbukan yang dikenakan pada velg. Hal ini disebabkan oleh kemampuan yang lebih baik dari desain velg dengan nilai  sudut V velg  yang lebih besar untuk menyebarkan tegangan dan tidak terakumulasi pada suatu titik kritis.
Kata Kunci: simulasi velg, desain mekanikal, uji impak , SAE J175

## Abstract
Car wheels have an important role in supporting the load of the vehicle, so the wheels  are  required  to  have  the  strength  and  design  that  can  withstand  the weight of the vehicle. Good wheels must be able to withstand the weight of the vehicle as well as the collisions that occur during the use period. The collision that occurs will cause stress on the wheel material. The magnitude of the stress can  be  simulated  using  computer-aided  engineering  (CAE)-based  software. This study simulated collisions in the case of an impact test with the SAE 175 standard,  with  an  impact  of  3200  Newton,  and  the  wheel  material  used  was ASTM A299, which has an elastic modulus of 200 GPa and a yield strength of 275 MPa. The wheel design has a design difference that lies in the V-shaped spokes, with the V angle for the model 1 wheel being 22°, the model 2 wheel being 50°, and the model 3 wheel being 90°. The simulation results on the values
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
of stress and strain show that the greater the value of the V angle of the wheel, the  smaller  the  value  of  the  stress  and  strain  produced  due  to  the  collisions imposed on the wheel. This is due to the better ability of the wheel design with a larger wheel V angle value to spread the stress and not accumulate at a critical point.
Keywords: velg simulation, mechanical design, impact test, SAE J175
DOI:10.20527/sjmekinematika.v8i1.255
How to cite : Sofyan, D., Gamayel, A., & Zaenudin, M., “Simulasi Uji Impact Pada Desain Velg Berbahan ASTM A299 dengan Diameter 15 Inch dengan Standard Uji SAE J175”. Scientific Journal of Mechanical Engineering Kinematika , 8(1), 67- 75, 2023.

## PENDAHULUAN
Velg memiliki peranan penting dalam sebuah kendaraan yaitu sebagai penerus putaran mesin  ke  roda  sehingga  dapat  menggerakkan  kendaraan.  Selain  sebagai  penggerak kendaraan, velg juga berfungsi sebagai tumpuan dari beban kendaraan. Sehingga dibutuhkan velg yang mampu menahan beban kendaraan. Untuk itu dilakukan pengujian sebelum velg diproduksi  secara  masal.  Akan  tetapi  dalam  proses  pengujian  velg  secara  nyata membutuhkan  biaya  yang  sangat  mahal.  Biaya  yang  mahal  tersebut  berasal  dari  proses pembuatan prototype untuk bahan pengujian dan juga penyediaan alat uji impact .
Pengujian impact dengan standar SAE J-175 yang sebelumnya telah diteliti yaitu velg berbahan  aluminium  alloy  AL  H5083H116  dengan  beban  480  kg  didapatkan  tegangan maksimum sebesar 319.2 MPa [1]. Sedangkan pada pengujian lainnya dengan menggunakan material aluminium yang memiliki tensile strength sebesar 225 MPa dengan beban impact sebesar 660 kg didapatkan hasil regangan maksimum sebesar 2% [2]. Pada pengujian velg dengan menggunakan beban 572 kg didapatkan hasil regangan sebesar 7,2% pada pengujian pertama  dan  6,53%  pada  pengujian  kedua  [3].  Pada  pengujian  dengan  material  velg aluminium  dan forged  steel yang  dikenai  beban  melingkar  sebesar  200  KPa  didapatkan regangan  pada  material  aluminium  sebesar  152,092  MPa  dan  pada  material forged  steel sebesar 162,957 MPa [4]. Ada pula yang melakukan pengujian dengan menggunakan velg truk dengan material SS400, AISI 1018, dan ASTM A299 yang menyatakan bahwa material ASTM  A299  adalah  yang  paling  aman  [5].  Untuk  pengujian  yang  lainnya  dengan menggunakan material yang memiliki modulus elastisitas sebesar 72 GPa dengan dua variasi beban penumbuk didapatkan hasil tegangan dengan beban tumbuk 690 kg adalah  sebesar 226 MPa dan degan beban tumbuk 850 kg didapatkan tegangan sebesar 236 MPa [6].
Sebagaimana permasalahan dan langkah penyelesaiannya melalui uji simulasi untuk menjadi penilaian awal uji impak, penelitian ini bertujuan untuk mendesain sebuah model dan  mensimulasikan  uji impak  pada  velg  mobil  dengan  variasi  sudut  jari-jari  velg  untuk mendapatkan nilai kritis dari tegangan dan regangan terhadap pembebanan yang dilakukan yang mengacu pada uji impak.

## METODE PENELITIAN
Proses  simulasi  uji impact dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat  lunak  Ansys 2021 R2 versi student , dengan metode uji sesuai dengan standar uji impact SAE J-175, yang menerapkan  pengujian  dengan  velg  diletakkan  dengan  kemiringan  13°.  Gambar  1 memperlihatkan velg mobil yang diuji memiliki ukuran diameter sebesar 15 inch dan lebar 6 inch , sedangkan mounting velg memiliki ukuran offset sebesar 40 mm dengan empat buah lubang baut yang memiliki PCD sebesar 100 mm, serta skematik uji impak dengan standar SAE  175.  Sedangkan  velg  yang  diuji  berjumlah  sebanyak  tiga  model  dengan  perbedaan terletak pada sudut jari-jari yang berbentuk V, dengan velg model 1 memiliki sudut 22°, velg
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
model 2 memiliki sudut 50°, dan velg model 3 dengan sudut 90°. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) dimensi dan geometri penampang velg, dan (b) skematik uji impak standar SAE J175 [7].
Gambar 2. Perbedaan sudut jari-jari velg uji.
Untuk bentuk dari penumbuk dibuat dengan dimensi panjang 375 mm, dengan lebar 125  mm,  dan  tinggi  100  mm.  Ukuran  dari  penumbuk  tersebut  diberi  gaya  sebesar  3200 Newton dengan arah gaya searah sumbu Y yang ditunjukkan dengan anak panah berwarna merah pada Gambar 3. Bentuk pengujian seperti ini untuk velg mobil dianggap akan mampu mendeskripsikan dan mengestimasi efek pembebaban tersebut terhadap velg sebagaimana pada standar uji impak SAE 175 pada Gambar 1(b). Dengan pengujian seperti ini, data yang nantinya dihasilkan yaitu berupa nilai tegangan dan regangan hasil pengujian. Secara umum, tegangan didefinisikan sebagai:
𝜎 = 𝐹 𝐴 (1)
dimana 𝜎 adalah nilai tegangan dalam satuan Pascal, F adalah gaya yang dikenakan pada spesimen dalam satuan Newton, sedangkan A adalah nilai luas penampang pada spesimen yang digunakan dalam satuan 𝑚 2 . Sementara, nilai regangan dideskripsikan sebagai
𝜖  = 𝑙 𝑖 − 𝑙 0 𝑙 0 = ∆𝑙 𝑙 0 (2)
dimana 𝜖 adalah  regangan  yang  merupakan  nilai  rasio,  sehingga  tidak  memiliki  satuan. Sedangkan, 𝑙 0 adalah  panjang  awal  spesimen, 𝑙 𝑖 adalah  panjang  setelah  dikenakan  gaya, sehingga  nilai ∆𝑙 = 𝑙 𝑖 − 𝑙 0 merupakan  nilai  perpanjangan  yang  terjadi  akibat  gaya  yang dikenakan, seluruhnya dalam satuan meter [9].
Selanjutnya,  pada  analisis  elemen  hingga, meshing merupakan  salah  satu  tahap penting. Meshing atau  diskritisasi  dalam  suatu  analisis  struktur  dengan  metode  elemen hingga adalah membagi sedemikian rupa suatu struktur tertentumenjadi beberapa elemen yang  lebih  kecil  (semakin  kecil  semakin  baik  untuk  hasil  yang  lebih  akurat)  [8].  Dalam perangkat  lunak  yang  digunakan,  terdapat  dua  metode  diskritisasi,  yaitu tetrahedral dan hexahedral ,  serta  gabungan  kedua  metode  tersebut.  Dalam  penelitian  ini,  gabungan  dua metode tersebut digunakan untuk menghasilkan bentuk dan jumlah elemen yang efektif dan efisien, baik dari segi keakuratan simulasi maupun dari segi efisiensi komputasi. Metode ini dikenal sebagai metode hybrid dalam perangkat lunak Ansys®, dan merupakan salah satu metode  yang  sudah  termasuk native atau  merupakan  metode  yang  secara  bawaan  akan digunakan saat menggunakan perangkat lunak Ansys® [10]. Sementara, untuk solusinya, perangkat lunak ini menggunakan metode elemen hingga, yang secara umum menghitung
penyelesaian  secara  numerik  dan  membagi-baginya  ke  dalam  elemen-elemen  yang  lebih kecil, sebelum akhirnya diakumulasikan untuk mendapatkan estimasi secara keseluruhan. Teknik ini menggunakan persamaan diferensial parsial dalam bentuk:
𝑢 ′′ (𝑥) = 𝑓(𝑥) ∫ 𝑢 ′′ (𝑥) 𝑣(𝑥) =   ∫ 𝑓(𝑥) 𝑣(𝑥) (3)
Persamaan  3  digunakan  sebagai  dasar  untuk  penggunaan  fungsi-fungsi  terkait  (misalnya yang ada pada Pers. 1 dan 2), kemudian diterapkan dan dihitung pada seluruh elemen yang sudah didiskritisasi yang dalam bentuk matematikanya direpresentasikan dalam matriks.
Gambar 3. Gaya 3200 Newton menumbuk velg searah sumbu Y.
Sedangkan boundary condition dilakukan dengan memberikan fixed support pada area mounting wheel dari velg yang terlihat dengan warna biru pada Gambar 4. Bagian lain pada velg  dibiarkan  bergerak  secara  bebas  sedemikian  rupa  agar  velg  dapat  bereaksi terhadap gaya yang nantinya diberikan pada saat uji impak. Material yang digunakan dalam proses simulasi menggunakan material ASTM A299 untuk material velg dan structural steel untuk material  penumbuk.  Sifat  dari  material-material  tersebut  dapat  dilihat  pada  Tabel  1 properties material ASTM A299 dan structural steel .
Gambar 4. Pemberian fixed support pada mounting wheel.
Tabel 1. Sifat material ASTM A299 dan structural steel. No. Material Density (kg/m 3 ) Yield strenght (MPa) Modulus elastisitas (GPa) 1 ASTM A299 7800 275 200 2 Structural Steel 7850 250 200
Data-data yang dicari dalam simulasi uji impact ini adalah tegangan. Dimana hasil dari tegangan dapat digunakan untuk mengetahui tingkat safety factor yang berfungsi sebagai acuan kelayakan kekuatan material velg. Ukuran nilai safety factor adalah nilai tegangan dari velg tidak boleh melebihi nilai yield strength dari material, dengan begitu maka velg bisa dikategorikan aman.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi uji impak sebagaimana tertera pada metode sudah berhasil dilakukan. Secara umum,  nilai  sudut  yang  lebih  besar  pada  desain  velg  menghasilkan  nilai  tegangan  dan regangan yang lebih rendah (detailnya dapat dilihat di bagian selanjutnya), yang mana dalam simulasi  mekanika  structural  lebih  baik.  Hal  ini  menandakan  bahwa  diperlukan pemberlakuan sudut yang lebih besar pada suatu desain yang mengizinkan pelebaran area kritis tegangan dan regangan, yang selanjutnya akan menyebabkan risiko terjadinya patahan ( fracture ) lebih kecil. Hasil simulasi tiap model velg dapat dilihat pada Gambar 5, Gambar 6,  dan  Gambar  7.  Hasil  simulasi  didapatkan  melalui screen  capture dari  antarmuka perangkat lunak Ansys® yang diwarnai berdasarkan tingkatannya. Nilai warna yang terkait dengan  nilai  tegangan/regangannya  sudah  tertera  pada  pada  bagian  samping  kiri  hasil simulasi.  Skala  dimensi  tertera  dibawah  masing-masing  model,  serta  letak  model  dan arahnya terhadap koordinat kartesian dapat dilihat pada sisi kanan bawah masing-masing model.
Gambar 5. Hasil simulasi tegangan velg model 1.
Pada  Gambar  5  dapat  dilihat  bahwa  pada  pengujian  velg  model  1  didapatkan  hasil tegangan sebesar 197,47 MPa yang terletak pada area flange .
Gambar 6. Hasil simulasi tegangan velg model 2.
Pada  pengujian  velg  model  2  yang  ada  pada  Gambar  6  didapatkan  hasil  tegangan maksimal  yang  dialami  sebesar  138,51  MPa  pada  area flange yang  menerima  tumbukan langsung.
Gambar 7. Hasil simulasi tegangan velg model 3.
Pada  pengujian  velg  model  3  (Gambar  7)  didapatkan  hasil  tegangan  maksimum sebesar 129,54 MPa, dengan lokasi regangan terbesar berada di area flange . Pada Gambar 8 diagram tegangan dapat dilihat bahwa velg model 1 memiliki tegangan paling tinggi dan
Area kritis
Area kritis Area kritis
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
velg  yang  memiliki  tegangan  paling  rendah  adalah  velg  model  3.  Dimana  velg  yang memiliki tegangan paling rendah adalah velg yang memiliki tingkat keamanan paling tinggi. Lebih lanjut lagi, dari semua model yang diujikan, nilainya masih dibawah dari nilai Yield Strength dari material ASTM A299 yang digunakan. Pada Gambar 9 dapat dilihat pula hasil simulasi berupa nilai regangan. Terdapat perbedaan yang kecil pada model 2 dan model 3, namun  perbedaan  signifikan  terjadi  jika  dibandingkan  dengan  model  1.  Oleh  sebab  itu, desain velg yang mengacu pada model 2 dan 3 disarankan. Data detail hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 8. Diagram batang tegangan velg model 1, model 2, dan model 3, serta nilai Yield Strength material ASTM A299.
Gambar 9. Diagram batang nilai regangan velg model 1, model 2, dan model 3.
Tabel 2. Hasil tegangan pada velg model 1, model 2, dan model 3.
Desain Model Velg Tegangan (MPa) Strain Model 1 197,47 0,0010583 Model 2 138,51 0,00071978 Model 3 129,54 0,00073076
197,47 138,51 129,54 275 0 50 100 150 200 250 300 Model 1 Model 2 Model 3 Yield Strength S tr es s (M P a) Kategori 0,0010583 0,0007198 0,0007308 0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012 Model 1 Model 2 Model 3 St rain Nama Model

## KESIMPULAN
Dari hasil simulasi uji impact dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Perbedaan sudut jari-jari velg dapat mempengaruhi kekuatan dari velg itu sendiri, semakin besar sudut V pada jari-jari velg maka semakin baik kemampuan velg untuk menyebarkan tegangan/regangan yang terakumulasi;
2. Dari hasil simulasi yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa ketiga model velg dikategorikan aman untuk digunakan karena nilai tegangan yang didapat masih berada di bawah nilai yield strength .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terimakasih  kami  sampaikan  kepada  Universitas  Global  Jakarta  atas dukungannya selama menyelesaikan penelitian ini.

## REFERENSI
[1] Kosasih, David Yan, Willyanto Anggono, and Fandi Dwiputra Suprianto. "Optimasi Desain  Pelek  Mobil  Melalui  Simulasi  Pengujian  Impact  Sesuai  Standar  SAE J175." Mechanova 4 (2015).
[2] Sumiyanto,  Sumiyanto,  and  Abdunnaser  Abdunnaser.  "ANALISIS  KEKUATAN VELG  ALUMUNIUM  MODEL  D30D  PADA  PERUSAHAAN  “A”." Bina Teknika 14.2 (2018): 225-235 .
[3] Wang,  Dengfeng,  Shuai  Zhang,  and  Wenchao  Xu.  " Multi-objective  optimization design of wheel based on the performance of 13° and 90° impact tests. " International journal of crashworthiness 24.3 (2019): 336-361.
[4] Meghashyam, P., S. Girivardhan Naidu, and N. Sayed Baba. " Design and analysis of wheel rim using CATIA & ANSYS." Int. J. Appl. Innov. Eng. Manag (2013).
[5] Kurniawan, Fadli. Simulasi dan Analisa Tegangan Impak Pada Rim Velg Truk dengan Metode Elemen Hingga. Diss. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2017.
[6] Otarawanna,  S.,  P.  Uttamung,  and  A.  Malatip.  " Finite  element  simulation  and experimental  validation  of  the  cracking  phenomenon  in  aluminium  alloy  wheels during  the  impact  test. "  AIP  Conference  Proceedings.  Vol.  2030.  No.  1.  AIP Publishing LLC, 2018
[7]  Vinothkumar, S., Sabarinathan Srinivasan, and AnilKumar Nesarikar. Simulation and test correlation of wheel impact test . No. 2011-28-0129. SAE Technical Paper, 2011.
[8] Ho-Le, K. "Finite element mesh generation methods: a review and classification." Computer- aided design 20.1 (1988): 27-38.
[9]  Callister, William D., and David G. Rethwisch. Materials science and engineering: an introduction . Vol. 7. New York: John wiley & sons, 2007.
[10]  Stolarski,  Tadeusz,  Yuji  Nakasone,  and  Shigeka  Yoshimoto. Engineering  analysis with ANSYS software . Butterworth-Heinemann, 2018.