## INVESTIGASI TEGANGAN PADA POROS BERTINGKAT MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA BERBASIS COMPUTER AIDED ENGINEERING
Hendri Chandra 1)* , Dicky Pratama Putra 1) , Romli 2)
1) Program Studi Magister, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sriwijaya
2) Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Sriwijaya Jalan Srijaya Negara Bukit Besar Palembang, Sumatera Selatan, 30139, Indonesia
*) email corresponding: hendrichandra@ft.unsri.ac.id

## INFORMASI ARTIKEL ABSTRAK
Diperbaiki: Revised 07/05/2021
Diterima:
Accepted 11/05/2021
Publikasi Online: Online-Published 17/05/2021
©2021 The Authors.  Published by AUSTENIT
doi: http://doi.org/10.5281/zenodo.47 47728
Poros  adalah  sebuah  batang  yang  merupakan  bagian  dari  elemen  mesin berpenampang lingkaran yang memiliki fungsi untuk memindahkan putaran tanpa meneruskan  daya. Penelitian  faktor  konsentrasi  tegangan  pada  poros  terus dikembangkan terutama untuk mengivenstigasi beban torsi, beban bending dan pembebanan  aksial.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menginvestigasi  tegangan pada  poros  bertingkat  dengan  menggunakan  3  metode  yaitu  metode  desain engineering,  metode  simulasi  serta  analisis  menggunakan  metode  elemen hingga untuk mendapatkan nilai tegangan yang diinvestigasi berbasis computer aided engineering. Bahan yang digunakan pada pengujian poros adalah baja AISI 1020 dengan 2 variabel penelitian yaitu, Variabel bebas dengan radius (mm); 0 mm, 2 mm, 6 mm, 10 mm, 20 mm, 50 mm dan Variabel terikat yaitu, von mises dan displacement. Berdasarkan hasil investigasi pengujian yang telah dilakukan dengan  menyimulasikan  poros  dapat  disimpulkan  bahwa  penambahan  bahan radius sebagai variabel yang diinvestigasi dengan pembenanan torsi sebesar 50 N.m  akan  mengurangi tegangan  pada  poros dan  hal  ini tidak berlaku  terhadap displacement yang terjadi pada poros saat gaya atau beban itu bekerja .
Kata kunci: Poros, Bahan, Tegangan, Metode Elemen Hingga, Computer Aided Engineering

## ABSTRACT
The shaft is a rod that is part of the engine element with a circular cross-section that functions to move rotation without continuing power. Research on the stress concentration  factor  on  the  shaft  continues  to  be  developed  significantly  to mitigate torsional loads, bending loads, and axial loading. This study investigates the  stress  on  a  multilevel  shaft  using  three  methods:  the  engineering  design method,  simulation  method,  and  analysis  using  the  finite  element  method  to obtain the investigated stress value based on computer-aided engineering. The material  used  in  the  shaft  test  is  AISI  1020  steel  with  two  research  variables, namely, the independent variable with radius (mm); 0 mm, 2 mm, 6 mm, 10 mm, 20  mm, 50  mm, and the dependent variables are von mises and displacement. Based  on  the  results  of  the  test  investigations  that  have  been  carried  out  by simulating the shaft, it can be concluded that the addition of radius material as the investigated variable by applying a torque of 50 N.m will reduce the stress on the shaft, and this does not apply to the displacement that occurs on the shaft when the force or load is working.
Keywords: shaft, material, stress, finite element method, computer aided engineering

## 1 PENDAHULUAN
Poros adalah sebuah batang yang merupakan bagian dari elemen mesin berpenampang  lingkaran  yang  memiliki  fungsi untuk  memindahkan  putaran  tanpa  meneruskan daya.
Sering  terjadi  perubahan  ukuran  diameter pada bagian-bagian poros menyebabkan terjadinya diskontinuitas  distribusi  tegangan  terhadap  poros. Diskontinuitas  geometris  pada  poros  tidak  dapat dihindari karena beberapa fungsi dari diskontinuitas tersebut juga diperlukan pada poros.
Poros akan mengakibatkan terjadinya tegangan di dalam strukturnya. Besarnya tegangan yang disebabkan oleh gaya atau pembebanan yang diberikan  pada  poros  dikenal  dengan  istilah tegangan  kerja.  Adapun  tegangan  maksimum akibat gaya dari beban maksimum yang mengenai strukturnya,  hal  ini  sangat  penting  dalam menentukan  keberhasilan  poros  untuk  bertahan dari  kerusakan  yang  akan  terjadi  (Andri  dan Chandra, 2016). Oleh karena itu, estimasi tegangan dan  regangan  pada  geometri  berguna  dalam mendesain  suatu  komponen  atau  struktur  dengan penambah tegangan terhadap berbagai jenis mode kegagalan.
Menurut (Patel dan Prajapati, 2019) tidak ada spesifikasi  khusus  yang  tersedia  untuk  pemilihan radius  fillet  pada  poros.  Poros  menerima  beban torsi,  berat  komponen  dan  beban  radial  maupun aksial.  Dalam  merencanakan  suatu  poros,  yang harus  diperhatikan  adalah  defleksi  maksimal  yang diizinkan,  lama  waktu  pemakaian  dan  letak pembebanan,  begitu  pula  dengan  kecepatan kritisnya  (Setiawan  dan  Witantyo,  2016).  Tujuan dari  penelitian  ini  adalah  untuk  menginvestigasi tegangan  pada  poros  bertingkat  dengan  metode elemen hingga berbasis computer aided engineering .

## 2. BAHAN DAN METODA
Bahan  yang  digunakan  dalam  pemodelan desain poros untuk pengujian simulasi serta analisis elemen hingga berbasis computer aided engineering adalah baja AISI 1020  dengan desain geometris  poros  yang  di  desain  menggunakan perangkat  lunak Solidworks  2021 seperti  pada Gambar  1  serta  sifat  mekanik  bahan  pengujian seperti pada Tabel 1.
Gambar 1 . Desain Geometris Poros
Tabel 1. Sifat Mekanik Bahan Modulus Young Rasio Poisson Dens. Kekuatan Tarik Kekuatan Luluh 200000 N/mm 2 0,29 7900 kg/cm 3 420.507 N/mm 2 351.571 N/mm 2
Penelitian  ini  menggunakan  3  metode  yaitu metode desain engineering , dengan cara mendesain  poros  bertingkat  melalui  perangkat lunak  CAD.  Dari  metode  ini  didapatkan  detail engineering  design .  Kemudian,  dilakukan  metode simulasi  pada  poros  serta  analisis  menggunakan metode  elemen  hingga  untuk  mendapatkan  nilai tegangan yang diinvestigasi berbantukan perangkat lunak Solidworks 2021 .

## 2.1 Tegangan
Menurut  (Junaidi,  2019)  setiap  bahan  atau material  dalam  keadaan  alaminya  memiliki  sifat elastisitas. Oleh karena itu jika ada gaya luar yang bekerja  pada  benda,  maka  benda  tersebut  akan mengalami  perubahan  bentuk  atau  ukuran.  Ketika benda  tersebut  mengalami  perubahan  bentuk, elemen  pada  bahan  akan  membentuk  tahanan terhadap  perubahan  bentuk  atau  deformasi  yang dikenal dengan istilah tegangan. Secara matematis tegangan dinyatakan sebagai gaya per satuan luas yang dapat ditulis dalam persamaan berikut:
= (1)
Dimana:
P : Gaya searah dengan sumbu batang A : Luas penampang yang diberi beban
Pada  sistem  satuan  internasional,  satuan untuk  tegangan  adalah  pascal  (Pa)  yang  memiliki nilai 1 N/m 2 .

## 2.2 Tegangan Geser
Tegangan  yang  terjadi  pada  poros  salah satunya adalah tegangan geser puntir yang nilainya bervariasi tergantung dari beban yang diaplikasikan pada poros.
Tegangan geser terjadi apabila suatu benda tegak lurus dengan arah sumbu batang dan bekerja dengan dua gaya yang berlawanan arah serta tidak simetris dengan gaya namun pada penampangnya tidak terjadi momen (Awali dan Asroni, 2013).
Saat  sebuah  penampang  bekerja  secara tangensial  lalu  diberi  dua  gaya  yang  sama  besar serta  berlawanan  arah,  akan  mengakibatkan penampang pada benda tersebut cendrung robek.

## 2.3 Von mises
Tegangan von  mises adalah  resultan tegangan x, y dan z dari sumbu tiga arah. Tegangan tidak  dapat  diabaikan  karena  sering  digunakan dalam  proses  perhitungan  untuk  mencari safety factor dari suatu sistem. Dalam teori distorsi energi, tegangan  luluh  material  dibandingkan  dengan tegangan von  mises untuk  mengetahui  apakah suatu sistem kontak mengalami perubahan bentuk, perubahan bentuk secara permanen serta perpaduan antara deformasi elastis dan deformasi plastis yang disebut dengan deformasi total (Ismail dkk, 2017).
Dalam  ilmu  pengetahuan  bahan  teknik, kriteria  luluh von  mises juga  diformulasikan  dalam tegangan von  mises , σ v ,  menghitung  tensor tegangan akan mendapatkan nilai tegangan scalar. Bahan  atau  material  dapat  dikatakan  luluh  saat tegangan von  mises mencapai yield  strength atau nilai kritis (Mulyanto dan Sapto, 2017).

## 2.4 Kriteria Luluh
Pada saat kondisi suatu bahan atau material mengalami  perubahan  bentuk  atau  deformasi elastis,  maka  bahan  atau  material  kembali  ke dimensi  awal  sesuai  dengan  Hukum  Elastisitas ( Hukum Hooke) yaitu, E = σ / ε .

## 2.5 Tegangan Puntir
Poros  mendapat  tegangan  puntir  yang berupa momen puntir, contohnya pada kopling dan poros  motor.  Perhitungan  dari  tegangan  puntir dengan  perubahan  momen  torsi  pada  diameter poros  dapat  dituliskan  dalam  persamaan  seperti berikut.
= 5.1 . (2)
Dimana:
: Tegangan Puntir (Mpa)
: Momen Torsi (N.m)
: Diameter Poros (m)

## 2.6 Elemen Hingga
Dalam penerepannya metode elemen hingga sering digunakan untuk mencari solusi dari masalah teknis seperti pada tegangan, regangan, kekuatan, dan analisis getaran (Djumhariyanto, 2016).
Model elemen hingga juga diterapkan dalam membantu  pengelolaan  data  agar  data  tersebut menjadi  efisien  terhadap  tegangan von  mises , displacement , dan tegangan geser dalam menemukan frekuensi alami pada suatu komponen mekanik dengan bentuk dan sistem apa pun (Ugesh dkk, 2016).
Penerapan  metode  elemen  hingga  dalam penelitian  banyak  memberikan  kontribusi  pada bidang  riset  dan  industri,  Hal  ini  dikarenakan metode elemen hingga dapat berperan sebagai alat bantu  penelitian  dalam  eksperimen  numerik. Aplikasi metode elemen hingga banyak diterapkan pada  permasalahan  kompleks  yang  cukup  rumit untuk  diselesaikan  seperti  rekayasa  struktur, keadaan  tunak , time  dependent,  perpindahan panas,  aliran  fluida, dan  permasalahan  potensial listrik, serta penerapan di bidang medikal (Saputro dkk, 2017).

## 2.7 Pemodelan Simulasi Poros
Pada  penelitian  ini  pemodelan  poros disimulasikan dengan pembebanan yang ditetapkan untuk melihat tegangan maksimum yang terjadi  pada  poros.  Proses  simulasi  seperti  pada Gambar 2 dan diuraikan sebagai berikut:
1) Pre  proccesing adalah  proses  awal  simulasi yang  bertujuan  untuk  mendefinisikan  proses desain  poros  yang  telah  dibuat  dalam menentukan  jenis  bahan  atau  material, menentukan  daerah fixed  geometry, FEA
meshing, dan menentukan letak pembebanan yang diberikan pada poros.
2) Pemodelan geometri poros di desain menggunakan  perangkat  lunak Solidworks
2021 .
3) Create study , memilih jenis analisis yang akan dilakukan .
4) Menentukan  jenis  bahan  atau  material  yang akan  digunakan  dalam  analisis,  jenis  atau material  yang  digunakan  adalah  baja  AISI 1020.
5) Analisis  statis , dilakukan  untuk  menentukan jenis  bahan  atau  meterial,  daerah fixed geometry, FEA meshing, dan letak pembebanan yang diberikan pada poros.
6) Menentukan  jenis  pembebanan  dan  kondisi batas  pada  poros , yaitu  pembebanan  torsi dengan kondisi batas pembebanan adalah 50 N.m.
7) FEA Meshing, proses  menjadikan  geometri poros menjadi part kecil berupa elemen node yang mencakup semua ruang lingkup geometri yang ada pada poros. Dalam proses meshing, semakin  kecil  ukuran mesh ,  maka  hasil  dari analis semakin mendekati keadaan sebenarnya begitupun sebaliknya.
8) Analisa  dinamis , dilakukan  dalam  beberapa mode  untuk  mengetahui  nilai  frekuensi  pada poros yang di simulasikan.
9) Simulate ,  proses  pengolahan  data-data  yang di konfigurasi  pada  proses sebelumnya untuk mendapatkan hasil analisis.
10) Post  proccesing ,  tahap  akhir  dari  suatu penyelesaian  dari  metode  elemen  hingga. Hasil  simulasi  yang  ditampilkan  berupa  data laporan dan gambar yaitu, data total deformasi dan tegangan maksimum dari proses simulasi.
Gambar  2  menunjukkan  proses  simulasi berbantukan perangkat lunak Solidworks 2021 yang digunakan  untuk  menginvestigasi  tegangan  pada poros  yang  diberi  pembebanan  torsi  sebesar  50 N.m.
Hasil  simulasi  ditunjukkan  pada  Gambar  3 dan Gambar 4 sebagai berikut. Dari hasil simulasi yang  diinvetigasi  berbantukan  perangkat  lunak Solidworks 2021. Gambar 3 dapat diketahui bahwa tegangan akan lebih tinggi di titik atau zona, di mana terjadi  pengurangan  material  secara  tiba-tiba. Maka, solusi untuk permasalahan ini adalah dengan cara  menambahkan  radius  pada  titik  atau  zona sebagai variabel yang diinvestigasi.
Gambar 2 . Proses Simulasi Poros
Gambar 3 . Hasil Simulasi Investigasi Terhadap Tegangan Von Mises
Gambar 4 . Hasil Simulasi Investigasi Terhadap Displacement

## 2.8 Variabel Pengujian
Variabel pengujian yang digunakan yaitu,
1.  Variabel bebas, Radius (mm); 0 mm, 2 mm, 6 mm, 10 mm, 20 mm, 50 mm.
2.  .Variabel  terikat  yang  digunakan  yaitu, Von mises dan Displacement.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan pengujian simulasi terhadap  pemodelan  geometri  poros  dengan menerapkan metode elemen hingga, didapat data- data  hasil  pengujian,  sehingga  didapatkan  data hasil  tegangan von  mises dan displacement terhadap poros.

## 3.1   Hasil Penelitian
Dari  proses  pengujian  simulasi  yang  telah divariasikan pada poros didapat hasil seperti pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar 5. Hasil Simulasi Pengujian Variasi Terhadap Tegangan Von Mises
Pada  Gambar  5  tegangan  yang  didapat adalah von  mises. Nilai  dari  tegangan  tersebut dibedakan dengan warna yaitu, warna merah yang merupakan nilai tegangan tertinggi, dan warna biru menunjukkan  bahwa  nilai  tegangan  semakin  kecil (Mahendra Guna Satriananta dkk, 2019).
Gambar 6. Hasil Simulasi Pengujian Variasi Terhadap Displacement
Hasil  simulasi  pengujian  variasi  terhadap displacement seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  6 menunjukkan  daerah  atau  bagian  yang terkena  pembebanan  terbesar  dan  terkecil  yang ditandai  dengan  perbedaan  warna  yang  terlihat pada  poros.  Terdapat  kisaran  warna  bar  yang sudah didetailkan pada sisi samping poros (Supha dkk, 2016).
Gambar 5 dan Gambar 6 menunjukkan hasil dari proses simulasi pengujian setelah menambahkan  variabel  yang  telah  di  konfigurasi sebelumnya  yaitu  radius  fillet  yang  diaplikasikan
pada  poros  sehingga  didapatkan  data  hasil pengujian  terhadap  tegangan  masksimum  von mises dan displacement seperti pada Tabel 2 serta dilakukan  pengamatan  dari  data  tersebut  untuk menarik  kesimpulan  setelah  proses  pengujian simulasi dilakukan.
Tabel 2 . Data Hasil Pengujian No Radius Von mises Displacement 1 0 1264.4082 0.0385 2 2 1408.7696 0.0387 3 6 1217.1407 0.0386 4 10 1172.6350 0.0382 5 20 1138.4538 0.0387 6 50 1129.1298 0.0391

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  pengujian  yang  telah dilakukan dengan menyimulasikan poros berbantukan  perangkat  lunak Solidworks  2021 setelah diinvestigasi pada kasus yang menyatakan bahwa  tegangan  akan  lebih  tinggi  di  titik,  di  mana terjadi pengurangan material secara tiba-tiba dapat disimpulkan  bahwa  penambahan  bahan  radius sebagai  variabel  yang  diinvestigasi  dengan pembenanan torsi sebesar 50 N.m akan mengurangi tegangan ada poros berdasarkan data variabel  terikat  yang  didapat  yaitu,  von  mises seperti  pada  Tabel  2,  dan  hal  ini  tidak  berlaku terhadap displacement yang terjadi pada poros saat gaya atau beban itu bekerja.

## DAFTAR PUSTAKA
Andri  Muhammad  dan  Chandra  Hendri,  2016. Analisis  Tegangan  Shaft  Drive  Pulley  Pada  Belt Conveyor  di  Pt.  Bukit  Asam  (Persero)  Tbk. Tanjung Enim. Sriwijaya University.
Patel  Bhavesh  dan  Prajapati  Hiren,  2019.
Performance  Evaluation  of  Stress  Concentration Factor  for  Shoulder  Fillet  on  Round  Bar  under Bending Loading. International Journal of Recent Technology  and  Engineering  (IJRTE).  Vol.  8 Issue-4, ISSN: 2277-3878.
Setiawan  Angga  dan  Witantyo,  2016.  Analisa Kegagalan  Poros  Pompa  Centrifugal  Multistage (GA101A)  Sub  Unit  Sintesa  Urea  Pt.  Petrokimia Gresik. Jurnal Teknik ITS Vol. 5, No. 2.
Junaidi,  2019.  Mekanika  Kekuatan  Material. Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik dan Komputer Universitar Harapan Medan.
Awali  Jatmoko  dan  Asroni,  2013.  Analisa Kegagalan  Poros  Dengan  Pendekatan  Metode Elemen Hingga. TURBO. Vol. 2 No. 2, ISSN 2301- 6663.
Ismail  Rifky,  Sugiyanto,  Kristianto  Henry,  Saputra Eko,  Jamari,  2017.  Pemodelan  Metode  Elemen Hingga Kontak Femoral Head Dengan Acetabular Liner Pada Sendi Panggul Buatan Dengan Variasi Diameter Celah Pada Acetabular Linear. ROTASI, Vol. 19, No. 3, pp. 139−146.
Mulyanto  Tri  dan  Sapto  Agung  D,  2017.  Analisis Tegangan Von  mises Poros  Mesin  Pemotong Umbi-Umbian  Dengan  Software  Solidworks. PRESISI, Vol. 18, No. 2.
Djumhariyanto Dwi, 2016. Analisa Tegangan Poros Roda  Mobil  Listrik  Dengan  Metode  Elemen Hingga. Vol. 01, No. 01.
Ugesh N, Kuppuraj Sathishkumar, dan Sathishkumar K, 2016. Finite Element Analysis of a  Shaft  Subjected  to  a  Load.  ARPN  Journal  of Engineering and Applied Sciences. Vol. 11, No. 9.
Saputro Anang H, Hidayat Taufiq, dan Qomaruddin,
2017.  Analisa  Poros  Alat  Uji  Keausan  Untuk Sistem  Kontak  Two  Disc  Dengan  Menggunakan Metode Elemen Hingga. Jurnal SIMETRIS, Vol. 8 No. 1.
Satriananta  Mahendra  G,  Yudo  Hartono,  dan Adietya Berlian A, 2019. Studi Analisis Kekuatan Poros  Propeller  Kapal  KMP.  Pertiwi  Nusantara Akibat Dikenai Torsi Dari Propeller. Jurnal Teknik Perkapalan, Vol. 7, No. 1.
Supha  Margalando  M,  Santoso  Agoes  dan  Arief Irfan  Syarif,  2016.  Analisa  Misalignment  Shaft Propeller Dengan Metode Torsi Vibration Analisis. Jurusan  Teknik  Sistem  Perkapalan,  Fakultas Teknologi  Kelautan,  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember (ITS).