Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
Optimasi Desain Topologi Struktur Arm Excavator Cat 374d L Menggunakan Metode Elemen Hingga
Sumar Hadi Suryo*, Harto**, Bambang Yunianto Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *E-mail: sumarhs.undip@gmail.com; **E-mail: harto@student.undip.ac.id

## Abstract
In  the  current  era  of  development, infrastructure  is the  driving  wheel  of economic growth.  Company manufacturer  of  construction  which  is  headquartered  in  Illinois,  United  States  of  America,  namely Caterpillar  Inc.  is  a  large  manufacturer  of  construction  equipment  that  operates  more  than  157 countries. Excavators are heavy equipment and are usually used for excavation. During the operation of extracting the unknown forces resistive offered by the terrain to the bucket teeth.  None of the teeth required  of  their  bucket  and  weight  of  teeth  in  manufactures  of  excavators.  And  also  production  of teeth  do  not  need  of  wear  compensation  of  design  procedure,  they  only  follow  their  previous experience results.In this study discusses the design optimization of the arm to produce a design that is lightweight but still retains his strength, arm is R4.67m CAT 374D L. Process optimization on the arm of  the  excavator  to  apply  the  concept  of  optimization  the  topology.  The  method  includes  the determination of the type of material Hardox400. The analysis was then performed linear static using the finite  element  method to  see  the  maximum  voltage that occurs  on the arm,  the value  of the  stress von  Mises  amounted  to  350.9  MPa.  Further  optimization  of  the  topology  by  selecting  some  of  the variations  in  area  design  which  produces  a  reduction  of  mass  of  4000  kg  became  3852  kg.  The reduction of mass causes a change in maksimum voltage von Mises that occurs on the to be 340.5 MPa and a safety factor of design optimization to achieve 2.88 is still in a safe condition.
Keywords: Arm Excavator; Finite Element Method; Topology Optimization.

## Abstrak
Pada  era  pembangunan  saat  ini,  infrastruktur  merupakan  roda  penggerak  pertumbuhan  ekonomi. Perusahaan  produsen  konstruksi  yang  bermarkas  di  Illinois,  Amerika  Serikat,  yaitu  Caterpilar  Inc. adalah  produsen  besar  alat  konstruksi  yang  beroperasi  lebih  dari  157  negara.  Excavator  adalah  alat berat  dan  biasanya  digunakan  untuk  penggalian.  Selama  operasi  penggalian  tidak  diketahui  pasukan resistive ditawarkan oleh medan ke bucket teeth. Manufaktor dari excavator hanya mempertimbangkan tidak  adanya  gigi  yang  dibutuhkan  untuk  bucket  dan  berat  dari  gigi.  Dan  juga  produksi  teeth  tidak memerlukan  kompensasi  desain,  rata2  hanya  menggunakan  hasil  dari  pengalaman  yang  sudah dilakukan. Pada penelitian ini membahas tentang perancangan optimasi arm agar menghasilkan desain yang lebih ringan tetapi tetap mempertahankan kekuatannya, arm tersebut adalah R4.67m CAT 374D L. Proses optimasi pada arm excavator menerapkan konsep optimasi topologi. Metode yang dilakukan meliputi penentuan jenis material Hardox400. Kemudian dilakukan analisis linear statik menggunakan metode  elemen  hingga  untuk  melihat  tegangan  maksimum  yang  terjadi  pada  arm,  besarnya  nilai tegangan  von  Mises  sebesar  350.9  MPa.  Selanjutnya  dilakukan  optimasi  topologi  dengan  memilih beberapa  variasi  area  desain  yang  menghasilkan  reduksi  massa  dari  4000  kg  menjadi  3852  kg  dan. Reduksi  massa  tersebut  menyebabkan  perubahan  tegangan  maksimum  von  Mises  yang  terjadi  pada arm menjadi 340.5 MPa dan safety factor desain optimasi mencapai 2.88 masih dalam kondisi aman.
Kata kunci: Arm Excavator ; Metode Elemen Hingga; Optimasi Topologi.

## 1. Pendahuluan
Salah  satu  bagian excavator yang  akan  diteliti  pada  paper  ini  adalah arm .  Untuk  menentukan  kekuatan  dari excavator , dapat dianalisa gaya reaksi pada variasi posisi mengangkat beban. Hasil analisa tersebut digunakan sebagai evaluasi atau optimasi kerja excavator dinilai terhadap kehandalannya sesuai dengan spesifikasi kebutuhan dalam dunia konstruksi. Manufaktor dari excavator hanya mempertimbangkan tidak adanya gigi yang dibutuhkan untuk bucket dan
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
berat  dari  gigi.  Dan  juga  produksi  teeth  tidak  memerlukan  kompensasi  desain,  rata2  hanya  menggunakan  hasil  dari pengalaman  yang  sudah  dilakukan.  [1]. Excavator bekerja  di  bawah  proses  yang  sangat  kompleks  dengan  periode bongkar  muat,  dan  akibatnya  baja  untuk  membuat  komponen  ini  harus  dipilih  menerapkan  kriteria  yang  seimbang antara  ketangguhan dengan relatif  baik  dan  kekerasan  cukup  untuk menahan  faktor  abrasive.  [2]. Bucket  teeth adalah salah satu komponen penting dari excavator. Bucket teeth berfungsi sebagai penggali material. Mereka dibagi menjadi tiga  sub-komponen: bucket yang  berfungsi  sebagai  wadah  kontainer,  fungsi  adaptor  sebagai  alat  penghubung  antara bucket dan teeth ,  dan teeth berfungsi  sebagai  penggali  bahan.  [3].  Maka  dari  itu  penulis  melakukan  optimasi  desain pada arm excavator untuk membahas salah satu permasalahan yang ada pada arm dan melakukan analisa gaya reaksi pada saat diggin g.
Dalam  penelitian  ini  perancangan  desain  menggunakan  pendekatan  dari  desain  asli.  Untuk properties material yang  akan  diinput  dalam  simulasi,  penulis  merujuk  pada  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Bhaveshkumar  yang menjelaskan  bahwa  material arm  excavator yang  dia  analisis  adalah  Hardox  400  [1].  Dalam  simulasi  ini  digunakan metode linear statik untuk proses optimasi.
Optimasi  yang  dilakukan  adalah  optimasi  topologi.  Tujuan utama  dari  proses  optimasi  topologi  ini  adalah  untuk mengurangi  volume  dari design  variable yang  telah  ditentukan  dengan  cara  memaksimalkan  nilai  kekakuan  dari struktur  yang  diizinkan  [4-5].  Fungsi  objektif  dari  optimasi  topologi  merupakan  nilai  fungsi  linear  dari equilibrium displacement  field ,  fungsi  linear  ini  disebut compliance yang  merupakan inverse dari  nilai  kekakuan  sehingga  ketika nilai compliance minimum didapatkan nilai kekakuan maksimum [6].

## 2. Material dan Metode Penelitian

## 2.1 Identifikasi Material
Pada penelitian ini, penentuan material arm excavator yang digunakan merujuk pada penilitian Muhammad Arief yang membahas tentang karakterisasi material pada arm yaitu Hardox 400 [3]. Data-data yang diperoleh dari penelitian tersebut diperlukan dalam proses optimasi desain arm kali ini. Data tersebut dapat dilihat pada Tabel 1 sebagai berikut.
Tabel 1. Data Karakteristik material Hardox 400 [3].
No. Data karakteristik Hardox 400 Nilai 1 Modulus Elastisitas (E) 210 GPa 2 Poisson Ratio 0.29 3 Massa Jenis 7473.57 4 Yield Strength 1000 MPa

## 2.2 Diagram Alir
Pada penelitian ini terdapat langkah-langkah simulasi linear statik dan optimasi arm excavator yang mengacu pada diagram alir Gambar 1.
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
Mulai Desain Arm Analisis gaya-gaya saat digging pada posisi Arm menggunakan SIMSOLID Melakukan proses mesh pada model Arm Analisis Linear Static dan Uji Konvergensi Strategi Optimisasi Optimasi Proses Validasi Parameter Optimasi Optimasi Desain Analisis dan Pembahasan Kesimpulan dan Saran Selesai Ya Tidak Studi Literatur Gambar 1 Diagram Alir
2.3 Proses Permodelan 3D Arm Excavator Arm excavator yang dipakai dalam penelitian ini adalah arm CAT 374D L seperti pada Gambar 2 (a). Pembuatan desain arm menggunakan software CAD  dengan  menggunakan  pendekatan  dari  desain  aslinya.  Pada  Gambar  2  (b) diperoleh hasil desain 3D arm excavator . Software CAD yang digunakan untuk memodelkan adalah Solidworks 2016.
(a) (b)
Gambar 2 Desain arm excavator , (a) CAT 374D L, (b) Hasil Desain CAD

## 2.4 Pemodelan linear statik
Permodelan linear statik dipengaruhi oleh suatu gaya  yang bekerja pada arm excavator . Pada penelitian ini gaya diperoleh dari bucket digging force (Fb) [7] pada excavator CAT 374D L sebesar 297500 N. Diketahui bahwa jumlah bucket teeth pada bucket sebanyak 5 unit, sehingga gaya Fb tersebut dibagi ke 5unit yang menghasilkan gaya  59500 N pada setiap bucket tooth .  Untuk kondisi maksimum, gaya terjadi pada sudut 32 derajat terhadap arm.
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
Gambar 3. Bucket digging force pada permodelan linear statik

## 2.5 Proses Optimasi
Metode optimasi yang digunakan merupakan optimasi topologi menggunakan perangkat lunak altair optistruct [5]. Pada desain arm excavator dilakukan optimasi topologi dikarenakan bentuknya merupakan struktur 3D continuum dan optimasi  topologi  menghasilkan  pengurangan  massa  yang  lumayan  besar.  Berikut  ini  adalah  langkah-langkah menentukan strategi optimasi topologi:
1) Menentukan design variable Penentuan design  variable bertujuan  untuk  menentukan  bagian  dari  desain  yang  dapat  diubah  secara  optimal. Warna merah menunjukan design variable sedangkan warna putih menunjukan bagian non-design variables atau daerah yang tidak bisa dirubah.
Gambar 4. Design variable arm excavator 2) Menentukan Constraint
Desain constraint merupakan batasan yang terikat dengan respon agar hasil optimasi bisa diterima. Pada optimasi ini desain constraint berupa volume fraction sebesar 70%.
3) Menentukan Respon Struktur
Respon  merupakan  perhitungan  performa  sistem  yang  kita  tentukan  sesuai  dengan constraint dan objective dari apa  yang  akan  kita  tentukan.  Pada  proses  optimasi  ini  respon  yang  digunakan  berupa weight  compliance dan volume fraction
4) Menentukan Objective
Objective merupakan  tujuan  setiap  fungsi  respon  yang  akan  dioptimalkan,  responnya  merupakan  variabel  dari desainnya. Pada optimasi ini objektifnya berupa minimize weight compliance . 5) Menentukan Manufacturing Constraint
Kekhawatiran  dalam  optimasi  topologi  adalah  konsep  desain  dikembangkan  sering  tidak  dapat  diproduksi. Optistruct menawarkan  sejumlah  metode  berbeda  untuk  memperhitungkan  kemampuan  manufaktur  ketika melakukan  optimasi topologi  [5].  Oleh  karena  itu manufacturing  constraint harus  ditentukan  agar hasil  optimasi dapat  di  manufaktur,  dengan  cara  menentukan Minimum  member  size  control digunakan  untuk  menentukan dimensi  terkecil  yang  harus  dipertahankan  dalam  desain  topologi.  Pada  penelitian  ini  ditentukan  nilai minimum member size control senilai 0,15 mm.
3 Hasil Dan Pembahasan
3.1 Hasil Simulasi Linear Statik
Untuk  mengetahui  apakah  material  yang  digunakan  tidak  mengalami  kegagalan  dan  dapat  dioptimasi  dilakukan analisa  linear  statik  untuk  mendapatkan nilai  von  Mises  dari  suatu  desain  dengan material  yang  didapatkan  dari hasil identifikasi [8]. Hasil analisa linear statik dapat dilihat pada Gambar 5. Berdasarkan hasil simulasi linear statik nilai von Mises yang dihasilkan sebesar 351.3 MPa.
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
Gambar 5. Nilai von Mises arm excavator CAT 374D L

## 3.2 Hasil Uji Kovergensi
Untuk  menentukan  jumlah  elemen  yang  sesuai  untuk  dilanjutkan  dengan  proses  optimasi  dilakukan  uji konvergensi  terlebih  dahulu  [9]  yang  dapat  dilihat  pada  Tabel  2  sampai  didapat  hasil  yang  konvergen  pada  setiap kenaikan elemen dengan melakukan perbaikan mesh secara bertahap dan pada daerah tertentu.
Tabel 2. Nilai tegangan maksimum von Mises tiap elemen
No Tegangan Maksimum (MPa) Jumlah Elemen 1 344.7 13057 2 346.9 19466 3 339.8 33157 4 336.9 72217 5 334.2 278846
Berdasarkan variasi kenaikan elemen pada Tabel 2 diatas, semakin elemen bertambah maka tegangan yang terjadi menurun,  sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  pada  elemen-elemen  tersebut  menunjukan  sudah  konvergen.  Pada penelitian  ini  menggunakan  elemen  paling  banyak  pada  hasil  uji  konvergensi  ke-5,  yaitu  278846.  Berikut  ini  adalah gambar distribusi tegangan yang terjadi pada arm excavator.
Gambar 6. Nilai von Mises uji konvergensi 1
Gambar 7. Nilai von Mises uji konvergensi 2.
Gambar 8. Nilai von Mises uji konvergensi 3.
Gambar 9. Nilai von Mises uji konvergensi 4.
.
Gambar 10. Nilai von Mises uji konvergensi 5.

## 3.3 Hasil Optimasi Topologi
Hasil optimasi diilustrasikan pada Gambar 11 dengan elemen ρ>0,5 dimana material dihilangkan dari bagian yang tidak  terlalu  dipengaruhi  oleh  gaya  yang  diberikan  sehingga  diperoleh arm  excavator yang  lebih  ringan  dengan tegangan yang tidak berbeda jauh..
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86
Hasil optimasi diatas dapat diketahui secara komputasional melalui grafik weight compliance pada hasil optimasi desain variabel arm excavator yang ditunjukkan Gambar 12.
Gambar 12. Grafik nilai compliance desain variabel.
Desain  akhir  didapat  dari  proses smoothing dari  hasil  simulasi  optimasi  dengan  mengubah  bentuk finite element menjadi surface dengan fitur OSSmooth yang nantinya diubah menjadi format CAD (Parasolid, IGES, STEP). Desain dalam bentuk CAD dapat dilihat pada Gambar 13.

## 3.4 Pembahasan Hasil Optimasi Topologi
Optimasi  topologi  merupakan  salah  satu  bentuk  optimasi  yang  sering  diterapkan  pada  suatu  struktur. Pengaplikasian  optimasi  topologi  pada  penelitian  ini  bertujuan  untuk  merubah  desain arm  excavator menjadi  desain yang  lebih  ringan.  Pendekatan  yang  dipakai  menggunakan  metode  distribusi elemen  density atau SIMP  method yang merubah  struktur arm  excavator yang  kontinum menjadi  struktur  diskrit  berupa  elemen-elemen [11]. Dengan  metode tersebut dapat menghasilkan desain arm yang lebih ringan dan optimal. Hal tersebut ditunjukan dengan  perbandingan hasil  optimasi  desain antara  desain  awal  dan  desain  setelah  optimasi  pada  Tabel  3  serta  ditunjukan  juga  gambar  awal desain pada gambar 13 dan hasil optimasti desain pada Gambar 14 berikut.
Tabel 3. Perbandingan desain awal dan sesudah optimasi. Pembanding Desain Awal Desain Optimasi Massa 4000 kg 3852 kg Tegangan maksimum 351.6 MPa 344.7 MPa Safety factor 2.84 2.88
Gambar 13. Hasil desain arm
Suryo, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 2  (April 2020) Hal. 79-86

## 4. Kesimpulan
Setelah dilakukan simulasi linear statik menggunakan metode elemen hingga didapatkan nilai tegangan maksimum von Mises sebesar 350.9 Mpa.Dari hasil optimasi topologi didapatkan penurunan tegangan maksimum von Mises pada desain awal sebesar 350.9 Mpa menjadi 340.5 MPa. Nilai safety factor dari desain awal bernilai 2.84 sedangkan safety factor dari  desain  optimasi  2.88  dimana  bisa  dikatakan  nilai  dari  tegangan  yang  terjadi  pada  kedua  desain  walaupun cenderung  naik  tetapi  masih  dinyatakan  aman.Jika  dibandingkan  antara  desain  awal  dan  hasil  optimasi  bahwa  yang paling optimal dari segi material adalah desain hasil optimasi yang berkurang dari desain awal yaitu 4000 kg menjadi 3852 kg.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  B. P. Shaikh, ”Analysis of Bucket Teeth of Backhoe Excavator Loader and its Weight Optimization” International Journal of Engineering Research & Technology , Vol. 4 Issue 05, 2015
[2]  Fernandez J.E., Vijande R., Tucho R., Rodriguez J., Martin A., ''Materials selection to excavator tooth in mining industry" Elsevier, Wear , pp. 11–18, 2001.
[3]  Muhammad Arief R.R, “Analysis of AISI material power of AISI 4140 bucket teeth excavator using influence of abrasive wear”, AIP Conference Proceeding 1977 , 2018.
[4]  Altair HyperWorks Help. [Referred 10.4.2013]. Available:
http://www.altairhyperworks.com/hwhelp/Altair/hw12.0/index.aspx
[5]  Altair Optimization Guide Book, Practical Aspect of Structure Optimization, 2015.
[6]  Bendsøe,  M.P.  Sigmund,  O,  Topology  Optimization.  Theory,  Methods  and  Applications.  Berlin  Heidelberg, Germany: Springer-Verlag, 2003,  ISBN 3-540-42992-1.
[7]  SAE J1179 : Hydraulic Excavator and Backhoe Digging Force. Warrendale : SAE International , 1990.
[8]  Dagwar, K. S. Telrandhe, R. G. “Failure Analysis Of Excavator Bucket Tooth.” International Journal of Scientific Research and Engineering Studies , pp. 2349-8862, vol.5, 2015.
[9]  Oñate,  E.  “Structural  Analysis  with  the  Finite  Element  Method.” Linear  Statics  Lecture  Notes  on  Numerical Methods in Engineering and Sciences . Barcelona: Artes Gráficas Torres S.A., 2003.
[10]  Christensen,  Peter  W.  Klarbring,  A.  “An  Introduction to  Structural  Optimization”.  Berlin  Heidelberg,  Germany: Springer-Verlag. 2008.