## STUDI OPTIMASI TOPOLOGI PADA FALL BLOCK DECK CRANE KAPASITAS 30 TON MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

## Nurul Huda
Program Studi Mekanisasi Perikanan Politeknik Kelautan dan Perikanan Sorong Email: nurul.huda@polikpsorong.ac.id

## Ocid Mursid
Program Studi Teknik Perkapalan Universitas Diponegoro Email: ocidmursid@gmail.com

## Akhmad Nurfauzi
Program Studi Mekanisasi Perikanan Politeknik Kelautan dan Perikanan Sorong Email: fauziapsor@gmail.com
Desain fall  block yang  berat  akan  menambah  beban  kerja crane saat  operasi,  selain  itu  juga menambah beban diatas dek kapal yang akan sangat berpengaruh terhadap stabilitas kapal, oleh karena itu perlu  dilakukan  kajian  untuk  mengurangi  berat block sehingga  kinerja crane lebih  optimal  untuk mengangkat beban. Optimasi topologi telah sukses dalam beberapa dekade terakhir, metode analisis elemen hingga  (FEA)  dan  studi  eksperimental  telah  dilakukan  dalam  menyelidiki  dan  mengoptimalkan  struktur lambung kapal. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan desain fall block dengan berat yang ringan dengan  mempertahankan  kekakuaan  strukturnya.  Optimasi  topologi  dilakukan  menggunakan  perangkat lunak SolidWorks  Simulation yang  berbasis  metode  elemen  hingga,  yang  selanjutnya  akan  dapat dibandingkan perubahan berat desain awal  dengan desain hasil optimasi serta perubahan tegangan sebelum dan sesudah dilakukan optimasi. Dari hasil optimasi topologi didapatkan penurunan massa sebesar 15.21 % dengan berat menjadi 338.54 kg. Selain itu tegangan Von Mises maksimum pada fall block turun 1.24 % menjadi 26.22 MPa. Akibat dari turunya nilai tegangan tersebut membuat nilai safety factor meningkat 1.25 %  dari  desain  awal  menjadi  9.53  yang  dapat dikatakan  nilai  tegangan  yang  terjadi  di  desain  baru  masih dinyatakan aman.
Kata kunci:  Fall Block, SolidWorks Simulation, Finite Element Method , Optimasi, Topologi

## ABSTRACT
Fall block design with heavy weight will increase the crane's workload during operation, besides that  it  will  also  increase  the  load  on  the  ship's  deck  which  will  greatly  affect  the  stability  of  the ship,  therefore  it  is  necessary  to  study  to  reduce  the  weight  of  the  block  so  that  the  crane's performance is more optimal for lifting operation. Topological optimization has been successful in recent decades, finite element analysis (FEA) methods and experimental studies have been carried out  in  investigating  and  optimizing  the  performance  of  ship  hull  structure.  The  purpose  of  this research  is  to  obtain  a  fall  block  design  with  a  light  weight  while  maintaining  its  structural rigidity. Topology optimization is carried out using a SolidWorks Simulation device based on the finite element method, which will then be able to compare the changes in the initial design weight with  the  optimization  results  design  as  well  as  the  stress  changes  before  and  after  optimization. From the results of topology optimization, it was found that the mass decrease was 15.21% with the  weight  being  338.54  kg.  In  addition,  the  maximum  Von  Mises  voltage  on  the  fall  block  fell
1.24% to 26.22 MPa. As a result of the decrease in the value of the stress, the value of the safety factor increased by 1.25% from the initial design to 9.53 which can be said that the stress value that occurs in the new design is still declared safe.
Keywords: Fall Block, SolidWorks Simulation, Finite Element Method, Optimization, Topology

## 1. PENDAHULUAN
Fall block merupakan komponen crane yang dilengkapi dengan hook yang dapat digunakan untuk mengantung dan mengangkat beban sesuai titik angkat, sekaligus merupakan rangka yang menutupi satu atau lebih sheaves didalamnya [1]. Fall block mempunyai dua fungsi dalam proses pengangkatan, fungsi pertama  digunakan  untuk  mengubah  arah wire  rope sedangkan  fungsi  kedua  ketika  digunakan  secara berpasangan fall  block mampu  meningkatkan  kemampuan  mekanis  dengan  memungkinkan  penggunaan beberaapa tali angkat secara bersamaan. Berat block berkisar antara beberapa kilogram hingga ratusan ton. Desain fall block yang berat akan menambah beban kerja crane saat operasi, selain itu menambah beban diatas  dek  kapal  yang  akan  mempengaruhi  stabiltas  kapal,  oleh  karena  itu  perlu  dilakukan  kajian  untuk mengurangi berat block sehingga kinerja crane lebih optimal untuk mengangkat beban. Optimasi topologi telah sukses dalam beberapa dekade terakhir, metode analisis elemen hingga (FEA) dan studi eksperimental telah dilakukan dalam menyelidiki dan mengoptimalkan lambung kapal[2]-[3]. Suryo et. al.[4] melakukan desain  dan  analisa  desain bucket  tooth  excavator ,  optimalisasi  struktur bucket dicapai  dengan mengganti struktur tipe cakram di sisi tengah drum dengan struktur pendukung tipe lengan. Stoyan et. al [5] melakukan optimalisasi topologi pada rumah gear reducer . Songr et. al. [6] melakukan optimasi pada struktur rangka dasar  mesin windlass ,  dengan  tidak  hanya  meningkatkan  kinerjanya  namun  juga  meningkatkan  tujuan untuk mengurangi konsumsi energi. Zhao et. al. [7] menerapkan analisa dengan metode elemen hingga dan studi topologi optimasi pada blanking press frame kapasitas 12000KN dengan perangkat lunak Hypermesh . Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mendapatkan  desain fall  block dengan  berat  yang  ringan  dengan mempertahankan kekakuaan strukturnya. Optimasi topologi dilakukan menggunakan perangkat SolidWorks Simulation yang  berbasis  metode  elemen  hingga,  yang  selanjutnya  akan  dapat  dibandingkan  perubahan berat desain awal  dengan desain hasil optimasi serta perubahan tegangan sebelum dan sesudah dilakukan optimasi.

## 2.  Metode Penelitian
Metode  dalam  penelitian  kali  ini  meliputi  pembuatan  model  tiga  dimensi fall  block menggunakan peangkat  lunak SolidWorks ,  pemodelan fall  block menggunakan  metode  elemen  hingga,  analisa  linear statis, dan studi optimasi topologi menggunakan perangkat lunak SolidWorks Simulation .
Fall  block yang  digunakan  pada  penelitian  kali  ini  merupakan  bagian  dari Mitsubishi Hidraulic  Deck  Crane dengan  kapasitas  30  ton  yang  terpasang  pada  kapal  MV  Panda  jenis bulkcarier 34.000 DWT dengan detail desain fall block ditunjukkan oleh Gambar 1 (a). Pemodelan tiga  dimensi  menggunakan  program  berbasis Computer  Aided  Desain (CAD)  yang  ditunjukkan oleh  Gambar  1  (b).  Perangkat  lunak 3D  CAD  yang  dipakai  untuk  memodelkan fall block adalah SolidWorks 3D CAD.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) General Arrangament Fall Block Hydraulic Crane Kapasitas 30 ton (b) Model Tiga Dimensi Fall Block Crane
Material yang dipakai dalam penelitan kali ini yaitu SS400 yang mana sesuai dengan material pabrikan Crane  Mitsubishi ,  material  SS400  sangat  umum  dipakai  untuk  pembuatan  struktur dengan pertimbangan kekauan struktur yang baik dan mudah difabrikasi. Material SS400 memiliki sifat mekanis yang ditunjukan oleh Tabel 1.
Tabel 1. Sifat Mekanis material SS400 No. Sifat Mekanis Nilai 1. Modulus Elastisitas 210 GPa 2. Berat Jenis 7850 kg/m³ 3. Kuat Luluh 250 MPa 4. Poisson Ratio 0.26
Analisa  metode  elemen  hingga  pada  model fall  block dilakukan  menggunakan  perangkat lunak SolidWorks Simulation . Jenis elemen yang dipakai dalam pemodelan menggunakan elemen parabolic tetrahedral 3D solid . Beban angkat pada model elemen hingga diaplikasikan pada area bawah fall  block dengan  arah  vertikal  bawah  sebesar  30  Ton  sesuai  kapasitas  angkat crane , tumpuan jepit diaplikasikan pada lubang sheave pin yang ditunjukkan  oleh Gambar 2 (a). Model elemen hingga desain awal fall block terdiri dari 100784 elemen dan 59721 node yang ditunjukkan oleh Gambar 2 (b) dan 2 (c).
(a)
(b)                                  (c)
Gambar 2. (a) Kondisi Batas Analisa  Fall Block (b) Tampak Isometri Mesh Model Fall Block (c) Tampak Samping Mesh Model Fall Block
Menu  analisa Topology  Optimization di SolidWorks  Simulation dilengkapi  oleh  fitur Goal yang dapat mengontrol tujuan optimasi dan fitur Constrain yang dapat mengatur batasan geometris yang mengendalikan formulasi matematika dari algoritma optimasi[8].  Ketika opsi “ Best  Stiffness to Weight ratio” dipilih, algoritma optimasi akan berusaha untuk mengurangi volume global dari geometri  model.  Pada  penelitian  kali  ini  opsi  “ Best    Stiffness  to  Weight  ratio ”    dipilih  dengan kriteria  pengurangan  30  %  dari  berat  model  sesuai  pengaturan  bawaan  perangkat  lunak.  Dengan cara ini secara teoritis bearat fall block berkurang menjadi 279.51 kg (atau sebesar 30 %) dari berat desain awal sebesar 399.30 kg.
Proses  optimasi  dapat  membuat  tata  letak  geometri  material  yang  memenuhi  tujuan  dan batasan  optimasi  yang  telah  ditetapkan.  Namun  desain fall  block tidak  mungkin  dibuat menggunakan  teknik  manufaktur  standar  seperti  pengecoran  dan  penempaan,  tetapi  difabrikasi dengan proses pengelasan menggunakan pelat SS400. Pada perangkat lunak SolidWorks memiliki empat fitur kontrol manufaktur[9], yakni sebagai berikut:
- Preserved  Region  Property  Manager ,  fitur  ini  dapat  mengatur  bagian  mana  saja  dari suatu model yang dipertahankan atau tidak mengalami pengurangan.
- De-mold  Control  Property  Manager ,  fitur  ini  dapat  mendefinisikan    control  de-mold untuk  memastikan  bahwa  desain  yang  telah  dioptimasi  dapat  diproduksi  dan  dapat dilepas dari cetakan.
- Symmetry  Control  Property  Manager ,  fitur  ini  dapat  manjaga  desain  yang  dioptimasi memiliki geometri yang simetris terhadap bidang tertentu.
- Thicknes  Control  Property  Manager ,   fitur  ini dapat  menerapkan batasan  ukuran pada bagian tertentu model yang dioptimasi.
Fitur  kontrol  manufaktur Quarter-Symmetry dan Preserved  Region digunakan  pada  sudi  kali  ini, bagian  yang  dipertahankan  dengan  fitur preserved  region meliputi  area  sambungan  baut,  lubang pin , dan area hook seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.
Fix Constrain
Lifting Load
30 Ton
Gambar 3. Bagian Fall Block yang Dipertahankan Menggguanakan Fitur Preserved Region
3.  HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Hasil Analisa Linear Statis Fall Block
Untuk  mengetahui  apakah  bahan  yang  digunakan  tidak  gagal  dan  dapat  dioptimalkan,  analisis linear  statis  dilakukan  untuk  mendapatkan  nilai  tegangan Von  Mises desain  yang  selanjutnya dibandingkan dengan kriteria kuat luluh material yang telah diterapkan.  Hasil analisa linear statis dari fall  block  deck  crane diperlihatkan  oleh  Gambar  4.  Berdasarkan  hasil  simulasi  linear  statis yang telah dilakukan, nilai tegangan Von Mises yang dihasilkan adalah 26.55 MPa masih dibawah ambang batas kuat luluh material SS400 yakni 250 MPa sedangkan deformasi yang terjadi sebesar 0.06 mm.
(a)                                                                                         (b)
Gambar 4. (a) Distribusi tegangan Von Mises yang teradi pada desain awal Fall Block Crane (b) Deformasi yang terjadi pada desain awal Fall Block Crane

## Preserved Region
Area

## 3.2 Hasil Optimasi Topologi Fall Block
Hasil  optimasi fall  block ditunjukkan  oleh  Gambar  5  dimana  volume  material  yang  berkurang tidak terlalu berpengaruh terhadap gaya yang diterapkan sehingga desain fall block hasil optimasi dengan berat yang lebih ringan menghasilkan  tegangan yang tidak jauh berbeda.
Gambar 5. Hasil optimasi Topologi Fall Block Crane

## 3.3 Analisa Desain Fall Block Hasil Optimasi Menggunakan Metode Elemen Hingga
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, geometri hasil topologi optimasi telah dimodelkan ulang menggunakan SolidWorks , dan modul SolidWorks Simulation yang berbasis FEA telah digunakan untuk  mengevaluasi  desain fall  block baru  tersebut.  Elemen  bertipe 3D  solid    tetrahedral digunakan dalam pemodelan FEA fall block , dengan 49863 elemen dan 85812 node. Hasil Analisa FEA fall block menunjukkan nilai tegangan Von Mises sebesar 26.22 MPa dan deformasi sebesar 0.06 mm yang ditunjukkan oleh Gambar 7a & 7b.
Gambar 6. Model 3D Desain Fall Block Deck Crane Hasil Optimasi
Gambar 7. (a) Distribusi tegangan Von Mises yang teradi pada desain Fall Block Deck Crane Hasil Optimasi(b) Deformasi yang terjadi pada desain Fall Block Deck Crane Hasil Optimasi

## 3.4 Pembahasan Hasil Optimasi Topologi Fall Block
Penerapan optimasi topologi pada penelitian ini bertujuan untuk mengubah desain Fall Block Deck Crane menjadi  desain  yang  lebih  ringan.  Cara  ini  dapat  menghasilkan Fall  Block  Deck  Crane menjadi  desain  yang  lebih  ringan  dan  optimal.  Hal  ini  ditunjukkan  dengan  perbandingan  hasil optimasi desain antara desain awal dengan desain setelah optimasi pada Tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan hasil analisa linear satik Fall Block Crane desain awal dan desain
baru Tegangan (MPa) Berat (kg) Deformasi (mm) Faktor Keamanan Desain Awal 26.55 399.30 0.06 9,42 Desain Baru 26.22 338.54 0.06 9,53 Perbandingan ↓1.24% ↓15.21% ↓0.00% ↑ 1.25%

## 4.  Kesimpulan
Paper ini mengabil Fall Block Deck Crane sebagai objek penelitian, dengan menggunakan Simulasi SolidWorks  Simulation untuk  melakukan  analisis  elemen  hingga  dan  desain  optimasi  topologi,  dan melakukan analisis elemen hingga terhadap desain Fall Block Deck Crane hasil optimasi. Berdasarkan hasil penelitian  yang  telah  dilakukan  dapat  disimpulkan  bahwa  setelah  dilakukan  simulasi  statik  linier menggunakan SolidWorks  Simulation pada desain  awal Fall  Block  Deck  Crane diperoleh  nilai  tegangan Von  Mises maksimum  sebesar  26.55  MPa.  Dari  hasil  optimasi  topologi  didapatkan  penurunan  massa sebesar 15.21 % dengan berat menjadi 338.54 kg. Selain itu tegangan Von Mises maksimum pada fall block turun 1.24%  menjadi 26.22 MPa. Akibat dari turunya nilai tegangan tersebut membuat nilai safety factor meningkat 1.25 % dari desain awal menjadi 9.53 yang dapat dikatakan nilai tegangan yang terjadi di desain baru masih dinyatakan aman.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] The Bechtel Equipment Operations Rigging Department, Bechtel Rigging Handbook (Second Edition) , 2nd ed. Bechtel Equipment Operations, Inc., 2002.
[2] Dai R J ， Liu Y ， Cheng Y S ， et al., “Topology and Opening Size Optimization Design of Solid Floors in An Outer Tank of The Pressure Hull,” Chinese J. Sh. Res. , vol. 14 （ 6 ） ,
pp. 139–146, 2019.
[3] C. Y. T. Jun, “Topology optimization of ship bracket structures,” Chinese J. Sh. Res. , vol. 10(5), pp. 53-58,70, 2015.
[4] S. H. Suryo, R. S. Sastra, Muchammad, and Harto, “Optimization of bucket tooth excavator design using topology optimization and finite element method,” J. Phys. Conf. Ser. , vol. 1858, no. 1, 2021, doi: 10.1088/1742-6596/1858/1/012081.
[5] S. Slavov and M. Konsulova-Bakalova, “Optimizing weight of housing elements of two- stage reducer by using the topology management optimization capabilities integrated in SOLIDWORKS: A case study,” Machines , vol. 7, no. 1, 2019, doi:
10.3390/machines7010009.
[6] J.-H. Songr et al. , “Lightweight design for windlass base frame using optimal design technique,” J. Korean Soc. Mar. Eng. , vol. 37, no. 5, pp. 477–483, 2013, doi: 10.5916/jkosme.2013.37.5.477.
[7] X. Zhao, Y. Liu, L. Hua, and H. Mao, “Finite element analysis and topology optimization of a 12000KN fine blanking press frame,” Struct. Multidiscip. Optim. , vol. 54, no. 2, pp. 375–389, 2016, doi: 10.1007/s00158-016-1407-4.
[8] “Goals and Constraints - 2018 - SOLIDWORKS Help.” .
[9] “Manufacturing Controls - 2018 - SOLIDWORKS Help.” .