## Analisis dan Modifikasi Rangka Mobil Antawirya Menggunakan Metode Elemen Hingga
Budi Setiyana a,* , Sugiyanto a , R. Kurniawan b
a Dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
b Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *E-mail: betiyana@yahoo.com

## Abstract
The Antawirya team is a team that is currently conducting research and development on cars to improve fuel efficiency. One of the efforts is to modify the car frame by reducing the weight of the car frame while still considering the safety aspect. In this study, the existing frame design will be analyzed to determine the stress distribution and the displacement with the Finite Element Method. From these data, the safety factor of the frame will be obtained. Simulation is performed by giving normal static load and rollbar static load. Normal static loading is the weight of the driver, body and engine components, while the rollbar static load is given from the top, right side, left side, front and rear direction. From the analysis obtained, the original frame of the Antawirya 2019 car has a safety factor with a normal static load condition of 6.05, while the top, right side, left side, front and rear  rollbar load conditions are 4.75, 1.17, 1.28, 2.17 and 5.18 respectively. This research produces a modified frame design for the Antawirya 2019 car with a safety factor for normal static load conditions of 3.40 and safety factor for rollbar static load from the top, right side, left side, front and rear of 2.39, 1.31, 2.29 and 1.04 respectively. In frame car modification, the weight of the frame can be reduced by 30.76% from 9.1 kg to 6.3 kg.
Keywords: Antawirya, car, frame, rollbar

## Abstrak
Tim  Antawirya  merupakan  tim  yang  sedang  melakukan  riset  dan  pengembangan  pada  mobil  untuk meningkatkan efisiensi  bahan bakar. Salah satu  usahanya adalah memodifikasi  rangka mobil dengan cara mengurangi berat rangka tetapi masih tetap mempertimbangkan aspek keamanan. Dalam penelitian ini akan dianalisis desain rangka yang sudah ada untuk mengetahui distribusi tegangan ( stress ) dan juga perpindahan ( displacement ) dengan Metoda Elemen Hingga. Dari data tersebut akan diperoleh faktor keamanan dari rangka tersebut. Simulasi dilakukan dengan memberikan beban statis normal dan beban statis rollbar . Pembebanan statis normal berupa berat dari komponen driver , bodi dan engine , sedangkan beban statis rollbar diberikan dari arah atas, samping kanan, samping kiri, depan dan belakang.  Dari analisis didapat, rangka asli mobil Antawirya 2019 memiliki faktor kemanan dengan kondisi beban statis normal sebesar 6.05, sedangkan pada kondisi beban rollbar atas, samping kanan, samping kiri, depan, dan  belakang  secara  berututan  sebesar  4.75,  1.17,  1.28,  2.17,  dan  5.18.  Penelitian  ini  menghasilkan sebuah desain rangka modifikasi mobil Antawirya 2019 dengan angka keamanan untuk kondisi beban statis normal sebesar 3.40 dan beban statis rollbar dari arah atas, samping kanan, samping kiri, depan, dan belakang secara berurutan sebesar 2.39, 1.31, 2.29 dan 1.04. Berat rangka dapat dikurangi sebesar 30,76 % dari rangka sebelumnya, yaitu dari 9.1 kg menjadi 6.3 Kg.
Kata kunci: antawirya, mobil, rangka, rollbar

## 1. Pendahuluan
Indonesia harus ikut serta dalam mengembangkan teknologi terbaru pada kendaraan yang hemat bahan bakar atau menggunakan bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan [1]. Tim Antawirya merupakan sebuah tim riset mobil hemat bahan bakar dari Universitas Diponegoro. Setiap tahun tim Antawirya melakukan riset dan pengembangan pada mobil untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar. Permasalahan paling utama dalam pengembangan mobil hemat bahan bakar adalah berat mobil. Setiap tahun mobil Antawirya dilakukan pengembangan untuk menurunkan berat mobil agar dapat lebih efisien dalam konsumsi bahan bakar. Pada tahun 2018 tim Antawirya membuat satu mobil dengan rangka dan juga bodi yang baru yang merupakan hasil riset dan pengembangan dari mobil sebelumnya.
Dalam perancangan rangka mobil Antawirya Urban Konsep 2019 bisa dibilang desain dasar dan belum memiliki analisis  yang  mendalam  yang  dibutuhkan  sebagai  bahan  pertimbangan.  Analisis  yang  dimaksudkan  adalah  analisis tegangan pada desain mobil tersebut [2,3]. Pada rangka mobil Antawirya Urban Konsep 2019 juga belum diketahui secara pasti  nilai  faktor  keamanannya.  Agar  dapat  memastikan  performa  rancangan  rangka  mobil  Antawirya  Urban  Konsep 2019,  maka  artikel  ini  berupaya  menganalisa  rangka  tersebut  untuk  menjadi  dasar  pengembangan  mobil  selanjutnya. Penulis menggunakan software ABAQUS 6.14 untuk menganalisa rangka mobil Antawirya [4]. Dalam penelitian ini akan
Setiyana, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 2  (April 2021) Hal. 50-56
dianalisis desain rangka untuk mengetahui distribusi tegangan ( stress ) dan juga defleksi ( displacement ) yang terjadi pada rangka. Dari data tersebut akan diperhitungkan nilai dari faktor keamanan dari rangka tersebut.  Berdasarkan nilai faktor keamanan  yang  diketahui  nantinya  akan  diputuskan  untuk  dilakukan  pengembangan  lebih  lanjut.  Apabila  rangka  ini masih memiliki faktor keamanan yang cukup tinggi akan dilakukan modifikasi untuk desain rangka yang baru yang lebih ringan, sehingga dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar [5,6].

## 2. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini, objek yang digunakan adalah struktur rangka mobil Antawirya urban konsep 2019. Struktur rangka terdiri dari beberapa bagian  diantaranya struktur rangka tengah, belakang,  roll bar depan, dan roll bar utama. Selain itu, pada pemodelan  struktur rangka  ini  terdiri  dari  beberapa  jenis  material  dengan  ukuran  dan  dimensi  yang berbeda-beda. Pemodelan struktur rangka ini dibuat dengan menggunakan bantuan software CAD SOLIDWORKS 2018 [7,8].  Adapun  hasil  pemodelan  dari  struktur  rangka  mobil  Antawirya  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Hasil  pemodelan menunjukkan bagian-bagian rangka yang akan digunakan pada simulasi ini.
Keterangan gambar :
1. Rollbar depan 2. Main Rangka 3. Rollbar utama 4. Dudukan mesin 5. Axle Box belakang 6. Dudukan pedal dan bodi depan
7. Tumpuan driver
8. Tumpuan sistem kemudi depan
9. Main Rollbar Support
10. Front Rollbar Support
11. Dudukan bodi belakang
Gambar 1. Detail bagian rangka mobil Antawirya 2019
Metode  simulasi  yang  digunakan  dalam  simulasi  ini  adalah  simulasi  statis  [9,10].  Simulasi  statis  sendiri  dibagi menjadi dua, yaitu statis normal dengan pembebanan akibat dari berat driver , bodi, dan engine . Unuk beban statis normal, dari  gambar  2  terdapat  14  titik  beban  yang  terdiri  dari  beban driver meliputi  D1,D2,  dan  D3,  beban  bodi  meliputi B1,B2,B3,B4,B5,B6, dan B7, dan beban engine meliputi M1. M2, M3 dan M4. Untuk simulasi beban statis pada rollbar diberikan dengan  memberikan beban sebesar 70 kg (686 N) pada rollbar dari berbagai arah, yaitu dari atas, samping kanan, samping kiri, depan dan belakang, seperti terlihat di gambar 3.
Gambar 2. Permodelan pembebanan statis normal pada rangka
Gambar 3. Arah pemberian gaya Rollbar pada rangka
Dari desain struktur yang ada, akan dilakukan simulasi stress dan defleksi dengan melalui tahapan simulasi. Tahapan pertama adalah import desain ke software ABAQUS 6.14. Tahapan selanjutnya adalah memasukan data material yang digunakan dan memberikan pembebanan sesuai yang diinginkan. Tahapan terakhir adalah simulasi statis pada struktur rangka mobil Antawirya menggunakan software ABAQUS 6.14. Dari sini akan berguna untuk menentukan modifikasi rangka dengan mengurangi berat komponen rangka. Adapun alur analisis diberikan pada gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4. Diagram alir analisis, tahap identifikasi (a) dan tahap modifikasi (b).

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Simulasi Rangka Mobil Antawirya 2019
Salah  satu  output  pada  hasil  analisis  elemen  hingga  adalah  tegangan Von  Misses yang  dapat  digunakan  untuk memperkirakan kemungkinan terjadinya deformasi plastis pada struktur [11,12]. Dari hasil analisis dapat diketahui plot tegangan Von Misses pada model yang digambarkan menggunakan kontur warna. Kontur tegangan terendah digambarkan dengan  warna  biru,  sedangkan  kontur  tegangan  tertinggi  digambarkan  dengan  warna  merah.  Kontur  warna  yang ditampilkan pada model dapat  digunakan untuk mengetahui distribusi  tegangan pada model. Output  selanjutnya yang dapat  ditampilkan  adalah displacement.  Displacement merupakan  perpindahan  atau  bergesernya  elemen  pada  elemen hingga akibat dari gaya yang diberikan pada model.
Simulasi untuk model rangka mobil Antawirya 2019 dengan pembebanan normal menunjukkan bahwa tegangan maksimal yang terjadi sebesar 45,56 MPa dengan nilai displacement maksimal yang terjadi yaitu sebesar 2,77 mm.
Gambar 5. Kontur tegangan pada rangka Antawirya 2019
Setelah dilakukan simulasi rangka mobil Antawirya 2019 dengan pebebanan normal akibat beban dari driver , bodi, dan engine selanjutnya dilakukan pembebanan pada rollbar . Penambahan beban pada rollbar dilakukan bertahap dengan variasi  5  arah  beban  sebesar  70  kg  (686  N)  sesuai  dengan  regulasi  perlombaan.  Hasil  simulasi  pada  rangka  mobil Antawirya 2019 dengan pemberian beban pada statis normal dan rollbar ditampilkan pada tabel 1 berikut.
Tabel 1. Nilai tegangan von misses dan displacement pada r angka mobil Antawirya 2019
Pembebanan Tegangan Maksimal (MPa) Displacement Maksimal (mm) Faktor Keamanan Statis normal 45,56 2,77 6,05 Rollbar atas 73,17 4,75 4,75 Rollbar samping kanan 235,40 5,72 1,17 Rollbar samping kiri 215,04 5,72 1,28 Rollbar depan 134,77 2,17 2,17 Rollbar belakang 113,40 5,18 5,18
Nilai faktor keamanan terendah dari rangka mobil Antawirya 2019 terjadi pada kondisi pembebanan rollbar samping kanan sebesar 1,17. Nilai tersebut masih dalam batas aman dimana tidak kurang dari 1 sehingga rangka tidak mengalami kegagalan atau deformasi plastis. Nilai faktor keamanan tertinggi terjadi pada kondisi pembebanan normal sebesar 6,05 yang merupakan kondisi yang dijadikan dasar dalam rancangan rangka mobil Antawirya. Berpedoman pada aturan nilai faktor keamanan menurut Mott dalam menentukan faktor keamanan suatu struktur yang akan dirancang maka struktur rangka Antawirya ditentukan nilai faktor keamanan antara 2,5 sampai 4,0. Sehingga ditentukan kriteria batas pada rangka mobil Antawirya urban konsep seperti pada table berikut [3].

## Tabel 2. Kriteria dasar desain rangka mobil Antawirya
Parameter Kondisi Pembebanan Normal Rollbar Displacement maksimal 5 mm 50 mm Faktor keamanan 2,5 – 4,0 > 1
Berdasarkan  kriteria  desain  rangka  mobil  Antawirya  yang  ditentukan  dapat  diketahui  perbandingan  dari  hasil simulasi rangka mobil Antawirya 2019 yang masih masuk dalam kriteria yang diijinkan. Secara garis besar pada hasil analisis  rangka mobil  Antawirya 2019 masih  cukup jauh dari  batas kriteria yang ditentukan sehingga memungkinkan untuk dilakukan optimasi untuk membuat rangka modifikasi dengan berat yang lebih ringan dari rangka sebelumnya.

## 3.2 Modifikasi Rangka Antawirya
Setelah dilakukan simulasi statis dengan kondisi pembebanan normal dan pembebanan rollbar pada rangka mobil Antawirya 2019 menunjukkan hasil yang aman dan memungkinkan untuk dilakukan optimasi  pengurangan berat dari rangka. Salah satu cara dalam mengurangi berat dari  rangka adalah memodifikasi desain rangka mobil Antawirya [5]. Modifikasi yang dimaksudkan merupakan merubah desain dari rangka Antawirya 2019 dengan perubahan pada dimensi dan  desain  strukturnya  [13].  Pada  desain  modifikasi  yang  dibuat  harus  sesuai  desain  rancangan  dasar  dari  rangka sebelumnya sehingga dapat diaplikasikan dengan komponen mobil Antawirya seperti sebelumnya.
(a) (b)
Gambar 6. Disain rangka mobil Antawirya sebelum (a) dan sesudah modifikasi (b).
Desain rangka mobil Antawirya yang telah dimodifikasi tersebut merupakan hasil pengembangan dari rangka mobil sebelumnya.  Pada  penelitian  ini  dihasilkan  pengembangan  desain  rangka  untuk  mengurangi  berat. Desain  modifikasi tersebut merupakan hasil akhir dari proses analisis dengan metode elemen hingga untuk memastikan desain rangka yang aman dan dapat diaplikasikan pada mobil Antawirya urban konsep.

## 3.3 Hasil Simulasi Rangka Modifikasi
Desain rangka modifikasi dilakukan simulasi pada Abaqus 6.14 dengan beban dan kondisi batas sama seperti pada rangka sebelumnya. Dari simulasi yang dilakukan menghasilkan data tegangan dan displacement yang dapat dijadikan pembanding dari hasil simulasi pada rangka sebelumnya. Proses simulasi ini dilakuan secara bertahap untuk mendapatkan desain  modifikasi  yang  paling  baik  dan  sesuai  dengan  yang  diinginkan  [5].  Hasil  simulasi  pada  rangka  modifikasi menunjukkan bahwa nilai displacement maksimal  yang terjadi yaitu sebesar 4,22 mm, sedangkan  tegangan maksimal yang terjadi sebesar 81,46 MPa.
Setelah dilakukan simulasi rangka modifiasi dengan pebebanan normal akibat beban dari driver , bodi, dan engine selanjutnya  dilakukan  pembebanan  pada rollbar seperti  pada  simulasi  sebelumnya  [13].  Hasil  simulasi  untuk  model rangka modifikasi dengan penambahan beban rollbar dapat dilihat pada tabel 3.
Gambar 7. Hasil simulasi tegangan pada rangka Antawirya modifikasi
Selanjutnya dari data simulasi rangka modifikasi dihitung nilai faktor keamanan menggunakan  perhitungan yang sama seperti yang telah dilakukan pada rangka sebelumnya. Nilai faktor keamanan dari rangka modifikasi dapat dilihat pada tabel 3 berikut.
Tabel 3. Nilai tegangan von misses dan displacement pada rangka modifikasi Pembebanan Tegangan maksimal (MPa) Displacement maksimal (mm) Faktor keamanan Normal 81,46 4,22 3,40 Rollbar atas 115,06 8,43 2,39 Rollbar Samping Kanan 210,88 10,17 1,31 Rollbar Samping Kiri 120,14 10,33 2,29 Rollbar Depan 263,28 3,47 1,04 Rollbar Belakang 185,21 10,47 1,49
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan diketahui tegangan terbesar terjadi pada rangka modifikasi pada kondisi pembebanan rollbar dari depan dengan tegangan sebesar 263,28 Mpa dan tegangan terkecil pada kondisi pembebanan normal  sebesar  81,46  Mpa. Displacement terbesar  pada  rangka  modifikasi  terjadi  pada  kondisi  pembebanan rollbar belakang  sebesar  10,47  mm  dan  terkecil  pada  kondisi  pembebanan rollbar depan  dengan displacement yang  terjadi sebesar 3,47 mm. Hasil tersebut menunjukkan bahwa rangka hasil modifikasi telah memenuhi kriteria dari rangka mobil Antawirya yang memiliki batas defleksi maksimal sebesar 5 mm.

## 3.4 Perbandingan Hasil Akhir Simulasi
Setelah dilakukan rangkaian simulasi baik dalam kondisi pembebanan normal maupun pembebanan rollbar pada model rangka mobil Antawirya 2019 dan rangka hasil modifikasi, kemudian didapat hasil analisa. Hasil analisa kemudian dirangkai menjadi sebuah tabel perbandingan untuk mempermudah peninjauan. Hasil dari desain modifikasi yang telah dibuat akan menjadi rekomendasi untuk digunakan pada rangka mobil Antawirya selanjutnya.
Tabel 4. Perbandingan rangka Antawirya 2019 dan rangka modifikasi
No. Hasil analisis Model rangka Rangka 2019 Rangka modifikasi 1. Berat total 9,1 Kg 6,3 Kg 2. Displacement Max 2,77 mm 4,22 mm 3. Von Misses Max 45,56 MPa 81,46 MPa 4. Faktor keamanan Aman Aman
Dari perbandingan hasil simulasi pada model rangka mobil Antawirya 2019 dan rangka modifikasi pada Tabel 4, maka disimpulkan bahwa rangka mobil Antawirya masih bisa direduksi berat dengan aman dengan pengurangan berat rangka sebesar 30,76 %.  Rangka hasil modifikasi dalam penelitian ini telah memenuhi kriteria yang ditetapkan dan dapat dijadikan rekomendasi desain rangka untuk mobil Antawirya selanjutnya.

## 4. Kesimpulan
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  maka  dapat  diambil  beberapa  kesimpulan  sebagai  berikut:  (1)  Pengujian simulasi statis dengan metode elemen hingga telah berhasil dilaksanakan dengan kondisi pembebanan statis normal dan statis rollbar ; (2) Rangka mobil Antawirya 2019 memiliki faktor kemanan dengan kondisi beban statis normal dan pada kondisi beban statis rollbar cukup aman untuk dilakukan reduksi berat; (3) Penelitian ini menghasilkan sebuah desain pengembangan dari rangka mobil Antawirya 2019 dengan reduksi berat sebesar 30,76 %.

## Daftar Pustaka
[1] Tim Penyusun, KMHE, 2018, “ Regulasi Teknis Kontes Mobil Hemat Energi (KMHE) , ” Padang.
[2] Fuad, A., Muhammad, F., 2015, “ Analisis Defleksi Rangka Mobil Listrik Berbasis Angkutan Massal Menggunakan Metode Elemen Hingga , ” Semarang, Universitas Negeri Semarang.
[3] Fadila, A., Syam, B., 2013, “ Analisis Simulasi Struktur Rangka Mobil Mesin Usu Berbahan Besi Struktur Terhadap Beban Statik Dengan Menggunakan Perangkat Lunak Ansys 14.5 , ” Medan, Universitas Sumatra Utara.
[4] ABAQUS 6.11, 2011, “Standard User’s Manual, Dassault Systems Simulia Corp ., ” USA.
[5] Garud,  R.Y.,    Shahid,  C.,  Tamboli,  S., Pandey,  A.,  2018,  “ Structural  Analysis  of  Automotive  Chassis,  Design Modification and Optimization,” International Journal of Applied Engineering Research, 13: 9887 − 9892.
[6] Hariandja, B., 1996, Mekanika Teknik: Statika dalam Analisa Stuktur berbentuk Rangka ,” Jakarta: Erlangga.
[7] Jensen, A., Harry H., 1989, ” Kekuatan Bahan Terapan (4th  Ed.), ” diterjemahkan by Darwin Sebayang, Jakarta, Erlangga.
[8] Wikipedia, 2019, “ Vehicle frame , ” https://en.wikipedia.org/wiki/Vehicle_frame, diakses: 10 Agustus 2019.
[9] Liang, C., Le, N, 2012, “Lightweight optimization of bus frame structure considering rollover safety,” Conference: The Sustainable City, 155.
[10] Chiandussi,  G.,  Gaviglio,  I.,  Ibba,  A.,  2004, “ Topology  optimisation  of  an  automotive  component  without  final volume constraint specification,” Advances in Engineering Software, 35: 609 − 617.
[11] Madenci, E., Guven, I., 2006, “ The Finite Element  Method  and Application in  Engineering , ” Springer Science- Business Media.
[12] Logan, D.L., 2011, “ A First Course in the Finite Element Method, ” Global Engine ering: Christopher M. Shortt. Stamford, USA.
[13] Beer,  F.,  Johnstone,  E.,  DeWolf,  J.,  Mazurek,  D.,  2015, “ Mechanics  of  Materials  7th  Edition, ” New  York  : McGraw-Hill Education.