## UJI TABRAK KOMPONEN PINTU DAN BAMPER MOBIL LISTRIK BERBAHAN KOMPOSIT SERAT TEBU DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
Yuni Hermawan 1 , Robertus Sidartawan 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
E-mail: yunikaka@yahoo.co.id

## ABSTRACT
In  each  design  do  have  to  consider  the  strength  of  the  material.  The  force  that  must  be considered regarding the dimensions, materials, and the structure of the workpiece. This research will be discussed on the analysis of stress concentration crash test specimen doors and bumpers electric car with the  finite  element  method.  The  finite  element  method  is  a  numerical  method  used  to  solve  technical problems  and  physical  symptoms  metematis  which  include  stress,  strain,  force,  and  vibration  analysis. The  finite  element  method  is  to  compare  between  calculation  using  CATIA  software  and  use  manual calculation. In this case the finite element method to be used is the finite element method 2D triangular elements with 3 nodes. From this study, the largest and smallest stress to the crash test door electric car is8.65 x 10 6 N/m 2 and 1.71 x 10 5 N/m 2 . while stress for the largest and smallest electric car bumper crash test are: 4.69 x 10 7 N/m 2 and 1.01 x 10 6 N/m 2 .
Keywords: stress, crash test, the electric car doors and bumpers.

## PENDAHULUAN
Munculnya issue permasalah limbah non organik  serat  sintetis  yang  semakin  bertambah mampu  mendorong  perubahan trend teknologi komposit  menuju natural  composite yang  ramah lingkungan  [1].  Serat  alam  mulai  menggeser  serat sintetis, seperti E-Glass, Kevlar-49, Carbon/ Graphite,  Silicone  carbide,  Aluminium  Oxide,  dan Boron. Salah  satu  jenis  serat  alam  yang  tersedia secara  melimpah  adalah  serat  tebu  [2].  Keuntungan penggunaan  komposit  antara  lain  ringan,  tahan korosi,  tahan  air, performance -nya  menarik,  dan tanpa  proses  pemesinan.  Beban  konstruksi  juga menjadi  lebih ringan. Harga produk komponen  yang dibuat dari komposit glass fibre reinforced polyester ( GFRP )  dapat  turun  hingga  60%,  dibanding  produk logam [3].
Salah  satu  jenis  serat  alam  yang  sangat potensial  adalah  serat  tebu.  Ampas  tebu  merupakan limbah dari proses pengolahan gula yang pemanfaatannya  belum  optimal.  Berdasarkan  data dari  Pusat  Penelitian  Perkebunan  Gula  Indonesia (P3GI)  ampas  tebu  yang  dihasilkan  sebanyak  32% dari berat tebu giling. Sebanyak 60% dari ampas tebu tersebut  dimanfaatkan  oleh  pabrik  gula  sebagai bahan  bakar,  bahan  baku  untuk  kertas,  bahan  baku industri  kanvas  rem,  industri  jamur  dan  lain-lain. Sehingga  diperkirakan  sebanyak  40  %  dari  ampas tebu  tersebut  belum  dimanfaatkan  [4].  Pemanfaatan serat  tebu  sebagai  bahan  penguat  material  komposit belum  maksimal.  Selama  ini  ampas  tebu  hanya digunakan  sebagai  bahan  bakar  pengganti  kayu bakar.  Melihat  dari  potensi  tersedianya  bahan  baku, maka  penelitian  ini  diarahkan  untuk  memanfaatkan serat  tebu  dari  limbah  ampas  tebu  sebagai  serat penguat  material  komposit  [5].  Berdasarkan  uraian tersebut  di  atas,  maka  penelitian  tentang  rekayasa
komposit  laminat  merupakan  kajian  yang  sangat menarik  untuk  diteliti  lebih  lanjut.  Pengujian mekanis  struktur  komposit laminat yang  dilakukan mencakup  uji  tarik  (ASTM  D638),  uji  bending (ASTM  D790),  uji  impak  (ASTM  D3379)  dan  foto makro  untuk  melihat  mekanisme  patahan  komposit [6].
Metode  elemen  hingga  adalah  metode  numeric yang  digunakan  untuk  menyelesaikan  permasalahan teknik  dan  metematis  dari  suatu  gejala  phisis  yang diantaranya  adalah  tegangan,  regangan,  kekuatan, dan  analisa  getaran.  Metode  elemen  hingga  inilah yang  dapat  membandingkan  antara  perhitungan dengan  menggunakan  software  catia  dan  dengan menggunakan perhitungan secara manual [4]. Dalam hal ini metode  elemen hingga yang  akan dipergunakan  adalah  metode  elemen  hingga  2D (bidang)  yaitu  elemen  segitiga  dengan  3  node. Metode  elemen  hingga  2D  dalam  hal  ini  elemen bidang  segitiga  dengan  3  node  didasarkan  untuk keperluan  analisa  suatu  continuum  yang  berupa luasan [7]. Permasalahan yang dapat dipecahkan oleh elemen  bidang  segitiga  ini  menyangkut  matrik kekakuan  elemen,  plain  strain  dan  plain  stress  serta vector-  vector  gaya  yang  bekerja  pada  elemen  dari produk spesimen uji tarik dan impak tersebut. Secara terperinci  hal-hal  yang  disebut  akan  ditinjau  dalam system  koordinat  local  dan  system  koordinat  global [8].

## METODOLOGI PENELITIAN
Variabel dalam penelitian  ini adalah:
1. Serat tebu dengan perlakuan alkali NaOH (lama perlakuan divariasikan 0 jam dan 2 jam)
2. Fraksi volume serat tebu: (0%, 5%,10%, 15% dan 20%).  Sedangkan  Panjang  x  Lebar  dibuat  tetap
sebesar  10  cm  x  20  cm  (sesuai  dengan  ukuran cetakan).
3. Komposit kulit dibuat dengan  susunan dua  lapis, dengan  orientasi  arah  serat  tebu:  0 o –  90 o ,  20 o – 70 o , 30 o – 60 o , 45 o – 45 o dan acak.

## Bahan dan Alat
Bahan  dan  peralatan  penelitian  ditunjukkan  pada Tabel 1 dan Tabel 2 berikut:
Tabel 1. Bahan penelitian yang digunakan No Bahan Vol Kegunaan 1 Serat Tebu (kontinyu dan anyam) + 60 kg Penguat komposit 2 Unsaturated poliester 90 kg Matrik komposit/ pengikat serat 3 Larutan alkali (5% NaOH) 60 liter Menghilangka n lignin pada serat 4 Air  netral  (PH 7) 100 liter Mencuci serat Tabel 2. Peralatan penelitian yang digunakan No Nama Alat Kegunaan 1 Universal bending Machine Menguji kekuatan bending 2 Mesin  Uji  Impak Carpy Menguji kekuatan impak 3 Foto Makro Foto makro kegagalan patahan / retak rambat 4 Timbangan Mengukur kadar air

## Pengolahan Serat
Bahan  yang  digunakan  adalah  serat  tebu,  resin polyester SHCP  268  BQTN stirine  monomer  dan katalis MEKPO ( metil etil keton peroksida ) [9]. Serat diambil dengan cara menggiling batang tebu terlebih dahulu  selama  lima  kali  pengilingan  kemudian direndam  dan  dicuci  dari  kotoran  dengan  air.  Serat diangin-anginkan  sampai  kering  di  tempat  teduh. Serat  yang  telah  dibersihkan  dari  kotoran  lalu direndam  dalam  larutan  alkali  NaOH  5%  selama  2 jam [10]. Perendaman dilakukan untuk menghilangkan  lignin  yang  menempel  pada  serat. Setelah  perendaman  selesai,  dilakukan  netralisasi serat  dengan  perendaman  air  selama  3  hari, kemudian  serat  dikeringkan  secara  alami.  Bahan matrik  yang digunakan adalah unsaturated polyester SHCP  268  BQTN stirine  monomer  dan  katalis MEKPO ( metil etil keton peroksida ) yang digunakan adalah 1% dari volume polyester [11].

## Manufaktur Komposit Laminat
Proses  pembuatan  komposit  laminat  dilakukan dengan metoda  cetak  tekan seperti  pada  gambar 12.b.  Jenis  serat  yang  digunakan  sebagai  penguat komposit kulit adalah serat tanpa perlakuan dan serat
perlakuan alkali selama 2 jam. Komposit kulit dibuat dengan susunan serat kontinyu-woven.
Fraksi  volume  komposit  adalah  0%,  10%,  20%, 30% dan 40% serat tebu. Komposit  yang  sudah  jadi dibuat  menjadi  spesimen  uji  bending  sesuai  standar ASTM  C  393  dengan  ukuran  lebar  30  mm  dan panjang  200  mm  dan  spesimen  uji  impak  sesuai standar  ASTM  D  5942  dengan  ukuran  lebar  15  mm dan  panjang  150  mm.  Spesimen  komposit  laminat tersebut  dilakukan post  cure di  dalam  oven  pada suhu  62 0 C  selama  4  jam.  Sebelum  dilakukan pengujian,  spesimen  dioven  pada  temperatur  60 o selama  3  jam  untuk  memastikan  tidak  ada delaminasi.

## Membangun Model Struktur (Pre-prosesor)
Untuk membuat model analisa struktur menggunakan  aplikasi generative sructural  analysis . Generative  structural  analysis merupakan  suatu aplikasi  yang  dapat  menganalisa  tegangan  yang terjadi  pada  model  secara  presisi  dengan  berbagai macam keadaan pembebanan [12]. Aplikasi generative structural analysis dapat diakses dari start menu pada  aplikasi analysis  and  simulation dari CATIA V5R14 , seperti Gambar 4. di bawah ini. Tipe- tipe  analisa  yang  disediakan  oleh CATIA  V5R14 adalah static  analysis,  frequency  analysis dan free frequency  analysis. Dimana  masing-masing  tipe analisa  mempunyai  kegunaannya  oleh  karena  itu dalam  menentukan  tipe  analisa  sesuai  dengan user . Tipe  analisa  yang  digunakan  adalah tipe  static analysis [13] . Tahap preprocesor merupakan  tahapan  yang sangat  rumit,  hal  ini  dikarenakan  banyaknya  proses- proses  yang  harus  dilakukan  sebelum  melakukan analisa struktur dari suatu model, antara lain :
1. Material  yang  digunakan  sudah  terdefinisi. Pendefinisian  material  berdasarkan  material propertis  tersebut.  Pemberian  dalam software catia dapat terlihat pada Gambar 2.
2. Memberikan restraint kepada  model. Restraint merupakan  suatu  tool  yang  berguna  untuk membuat mudah dalam proses solution. Restraint yang  diberikan  pada  model  ini  adalan advanced restraint dan iso  static  restraint. ini  dapat  di tunjukkan pada Gambar 4.
3. Memberikan contraint kepada  model. Contraint merupakan  suatu  tool  yang  berfungsi  agar komponen-komponen  menjadi  satu  kesatuan body,  pada  perancangan  ini  menggunakan Rigid Connection constraint.
4. Memberikan  beban  pada  model.  Beban  yang dimaksud  ini  adalah  beban  ekternal,  dimana beban  yang  digunakan  adalah  gaya  distribusi. Pada  perancangan  ini  beban  yang  digunakan sebesar  5.000  N.  Untuk  lebih  jelasnya  dapat dilihat pada Gambar 5.

## Analisa tegangan struktur (post-prosesor)
Langkah  selanjutnya  adalah  memberi  perintah kepada CATIA V5R14 untuk mulai proses perhitungan  mencari  solusi  atas  tahapan  yang  telah diberikan  pada preposeccor dengan  menggunakan
metode elemen hingga. Untuk dapat memulai proses perhitungan  dengan  memberi  perintah compute. Waktu  yang  dibutuhkan CATIA  V5R14 untuk mendapatkan    hasil  perhitungan  tergantung  pada performance dari  komputer  ( memory, kapasitas hardisk,  proseccor,  motherboard )  dan  kompleksitas dari permasalahan yang ada (model geometri, model pembebanan,  ukuran meshing ).  Untuk  perancangan ini  menggunakan automeshing ,  hal  ini  dikarenakan kompleksitasnya  permasalahan  yang  ada  dan performance  dari  komputer  yang  standard  untuk menganalisa  struktur  dengan  menggunakan CATIA V5R14.
Pada post  proseccor yang  bertujuan  untuk melihat  hasil  perhitungan  yang  telah  dilakukan setelah  pembuatan  model  baik  model  geometri maupun  elemen  hingga.  Adapun  beberapa  hal  dari tahap  ini  yang  ditampilkan  antara  lain  tegangan von mises ,  tegangan principal ,  defleksi.  Dalam  tugas akhir ini hasil post processor yang dibutuhkan hanya tegangan  von  mises  pada  struktur,  yaitu  berapa  dan dimana  tegangan  maksimum  dan  minimum  yang terjadi pada model.
Penelitian  ini  mengikuti  alur  penelitian  sebagai berikut:
Gambar 1. Diagram alir penelitian.
Secara garis  besar tahapan penelitian  yang ditujukan untuk  menyelesaikan  penganalisaan  kekuatan  uji tabrak  komponen  mobil  listrik  adalah  sebagai berikut:
1. Pengumpulan data sebelumnya. Pada  tahap  ini  mengumpulkan  data-data spesimen uji tabrak, sehingga data yang diambil benar-benar akurat dengan data sebelumnya.
2. Analisa awal data sebelumnya Pada  tahap  ini,  melakukan  analisa  awal  dari produk spesimen uji tabrak.
3. Melakukan penggambaran teknik Pada  tahapan  ini,  perancangan  tongkat  di visualisasikan dalam bentuk gambar 2D dan 3D beserta  dimensi  dari  konsep  terpilih  dengan menggunakan software CATIA.
4. Analisa kekuatan material Menentukan  posisi  tegangan  terbesar  dimana pada  posisi  ini  akan  terjadi  awal  kerusakan  / kegagalan.  Melakukan  uji  struktur  piringan spesimen  uji  tabrak  dengan  bantuan software CATIA .  Uji  struktur  hanya  pada  pembebanan pengguna  dan  piringan  spesimen  uji  tarik  dan impak secara statis.
5. Analisa  kekuatan  dari  specimen  uji  dengan metode  Elemen  Hingga.  Menganalisa  kekuatan dari  produk  spesimen  uji  tarik  dan  impak dimana  pada  tahap  ini  produk  spesimen  uji tabrak  akan  dilakukan  perhitungan  tegangan dengan menggunakan metode Elemen hingga.
6. Membandingkan  antara  perhitungan  dengan metode  Elemen  Hingga  dan  dengan  meng gunakan  software CATIA. Setelah didapat data yang  akurat  kita  akan  membandingkan  antara kedua pengujian yang telah dilakukan, sehingga hasil  yang  didapat  sesuai  dengan  data  yang ingin diperoleh.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Membangun Model Analisa Struktur Untuk membuat model analisa struktur menggunakan  aplikasi generative  sructural  analysis . Generative  structural  analysis merupakan  suatu aplikasi  yang  dapat  menganalisa  tegangan  yang terjadi  pada  model  secara  presisi  dengan  berbagai macam keadaan pembebanan [14]. Aplikasi generative structural analysis dapat diakses dari start menu pada  aplikasi analysis  and  simulation dari CATIA V5R14 , seperti gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2. Tampilan desain bamper mobil listrik.

## Analisa Tegangan Struktur Spesimen Uji Tabrak
Langkah  selanjutnya  adalah  memberi  perintah kepada CATIA V5R14 untuk mulai proses perhitungan  mencari  solusi  atas  tahapan  yang  telah diberikan  pada preposeccor dengan  menggunakan metode elemen hingga. Untuk dapat memulai proses perhitungan  dengan  memberi  perintah compute. Waktu  yang  dibutuhkan CATIA  V5R14 untuk mendapatkan    hasil  perhitungan  tergantung  pada performance dari  komputer  ( memory, kapasitas hardisk,  proseccor,  motherboard )  dan  kompleksitas
dari permasalahan yang ada (model geometri, model pembebanan,  ukuran meshing ).  Untuk  perancangan ini  menggunakan automeshing ,  hal  ini  dikarenakan kompleksitasnya  permasalahan  yang  ada  dan performance  dari  komputer  yang  standard  untuk menganalisa  struktur  dengan  menggunakan CATIA V5R14.
Gambar 3. Tampilan desain pintu mobil listrik.
Pada post  proseccor yang  bertujuan  untuk melihat  hasil  perhitungan  yang  telah  dilakukan setelah  pembuatan  model  baik  model  geometri maupun  elemen  hingga.  Adapun  beberapa  hal  dari tahap  ini  yang  ditampilkan  antara  lain  tegangan  von mises,  tegangan  principal,  defleksi.  Dalam  tugas akhir ini hasil post processor yang dibutuhkan hanya tegangan  von  mises  pada  struktur,  yaitu  berapa  dan dimana  tegangan  maksimum  dan  minimum  yang terjadi  pada  model.  Dari  hasil  pemodelan  analisa didapatkan  hasil  komputasi  analisa  tegangan  yang terjadi  pada  komponen  mobil  listrik  dengan  bantuan software CATIA V5R14 ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Tegangan pada bamper mobil listrik.
Dari hasil perhitungan secara komputasi didapatkan  tegangan  terbesar  dan  terkecil  untuk  uji tabrak bamper  mobil  listrik adalah:  4.69  x 10 7 N/m 2 dan  1.01  x  10 6 N/m 2 ,  sedangkan  nilai  tegangan terbesar  dan  terkecil  untuk  uji  tabrak  pintu  mobil listrik adalah: 8.65 x 10 6 N/m 2 dan 1.71 x 10 5 N/m 2 .
Gambar 5. Tegangan pada pintu mobil listrik.

## KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulakan bahwa: 1. Tegangan  terbesar  dan  terkecil  untuk  uji  tabrak bamper mobil listrik adalah: 4.69 x 10 7 N/m 2 dan 1.01  x  10 6 N/m 2 ,  sedangkan  nilai  tegangan terbesar dan terkecil untuk uji tabrak pintu mobil listrik  adalah:  8.65  x  10 6 N/m 2 dan  1.71  x  10 5 N/m 2 .
2. Metode elemen hingga yang dipergunakan adalah 2D dalam hal ini elemen bidang segitiga dengan 3 node  didasarkan  untuk  keperluan  analisa  suatu continuum  yang  berupa  luasan.  Permasalahan yang  dapat  dipecahkan  oleh  elemen  bidang segitiga ini menyangkut matrik kekakuan elemen, plain  strain  dan  plain  stress  serta  vector-  vector gaya  yang  bekerja  pada  elemen  dari  produk  uji tabrak  tersebut.  Secara  terperinci  hal-hal  yang disebut  akan  ditinjau  dalam  system  koordinat lokal dan sistem koordinat global.

## Saran
Perlu  dilakukan  analisis  dengan  menggunakan metode  elemen  hingga  2D  quatrohedral,  dengan menggunakan  elemen-elemen  yang  jauh  lebih  kecil dan  banyak  agar  didapat  hasil  yang  jauh  lebih  teliti lagi,  dan  dengan  menggunakan  metode  elemen hingga 3D agar didapat hasil yang sangat akurat dan detail.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  banyak  terima  kasih  pada DRPM  DIKTI  yang  telah  membiayai  penelitian  ini pada  tahun  anggaran  penelitian  TA  2016  sehingga penelitian ini dapat terselesaikan dengan baik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   Diharjo K., Legowo B., Masykuri M., Abdullah G.,  (2005).  Rekayasa  dan  manufaktur  bahan komposit  laminat  berpenguat  serat  kenaf  untuk komponen  gerbong  kereta  api , Jurnal  Gelagar Vol 6 No 2, Surakarta.
[2]    Adi,  G.T.  (2006).  Pengaruh  fraksi  volume  serat terhadap  kekuatan  bending  komposit  serat tebu
acak/polyester,  Tugas  Akhir  Teknik  Mesin Universitas Muhammadiyah, Yogyakarta.
[3]  Abdullah  dan  Handiko.G.W  (2000).” Aplikasi Komposit GFRP Untuk Komponen Gerbong Kereta Api,INKA .Madiun
[4]  Grandin,  Hartley,  jr.  1986. Fundamentals  of  the finite  Element  Method. Macmillan  publishing company. New York.
[5]  Kowangid  M  dan  Diharjo  K.,  (2003). Karakteristik  kekuatan  bending  dan  impak komposit  laminat  GFRP  dengan  inti  PVC  type H  100  dan  H  200,  Skripsi,  FT  UNS,  didukung oleh  Proyek  Penelitian  Dosen  Muda  DP3M Dikti Jakarta.
[6]  ASTM,  (1998).  “ Annual  Book  of  ASTM Standar”, West Conshohocken
[7]  Sutatio,  Yerri,  (2004).  Dasar-dasar  Metode Elemen Hingga. Penerbit Andi. Yogyakarta.
[8]  Supriyono,  (2008).  Aplikasi  metode  elemen hingga  untuk  perhitungan  perambatan  panas pada  kondisi  tunak.  Sekolah  Tinggi  Teknologi Nuklir, Batam.
[9]   Hartanto, L. (2009). Studi perlakukan alkali dan fraksi  volume  serat terhadap kekuatan bending, tarik,  dan  impak  komposit  berpenguat  serat rami-polyester BQTN-157, Tugas Akhir, Universitas Muhammadiyah
Surakarta,
Surakarta.
[10]  Junaedi,  F.  (2008).  Pengaruh  fraksi  volume terhadap  kekuatan  tarik  dan  bending  komposit serat hybrid bambu dan  serat E-glass/polyester, Tugas  Akhir,  Universitas  Muhammadiyah Surakarta, Surakarta.
[11]  Robert  D.  Cook.  (1990).  Konsep  dan  Aplikasi Metode  Elemen  Hingga . PT.  EAEOCO. Bandung.
[12]  Sonief,  A.  As’ad.  Diktat  Metode  Elemen Hingga, ITB
[13]  Hariyanto,  A.  (2009).  Pengaruh  fraksi  volume komposit  serat  tebu  dan  serat  rayon  bermatrik poliester  terhadap  kekuatan  tarik  dan  impak,
Fakultas Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
[14]  Supriyono,  (2008).  Aplikasi  metode  elemen hingga  untuk  perhitungan  perambatan  panas pada  kondisi  tunak.  Sekolah  Tinggi  Teknologi Nuklir, Batam.