Pengaruh Variasi Desain Crash Box Pola Origami terhadap Kemampuan Penyerapan Energi
Imam Kusyairi 1 , Moch. Agus Choiron 2 , Anindito Purnowidodo 2
1 Alumni Pasca Sarjana Teknik Mesin Universitas Brawijaya Malang
2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya Malang Jl. MT Haryono 167, Malang 65145, Indonesia E-mail: kusyairi1408@gmail.com

## ABSTRACT
This  study  developed  crash  box  design  on  origami  patterns.  These  typically  have  got  the  dents whichserve  as  pre-folding.  Therefore,  the  collapses  modesarepredictable  and  stable.  The  geometry variation of crash box comprises four factors, i.e. basin length (c), distance between the basins (b), thickness  (t)  and  number  of  segments  (M).  Meanwhile,  the  design  of  optimal  variations  utilized  L9 Taguchi and deformas pattern analysis. The method of this study used software finite and the element of crash box modelling consists of three components, e.g. impactor, crashbox, and fixed support. The material used is AA7003-T7 modellingas thebilinear isotropic hardening. Model loading waconveyed 64 km/h on the impactor.  The research shows that the response of quality characteristics of energy absorption  is  the  larger  the  better.  The  energy  absorption  respectively  covered  1)thickness  (t),  2) segment  (M),  3)  distance  between  basins  (b),  and  4)  basin  length  (c).Whereas,  the  highest  energy absorption of the crash box occupied by the origami pattern no. 3 with c = 9 mm, b = 60 mm, t = 2 mm and M = 6,  reaching 7,247,826 J. In fact, the deformation behavior of the model no. 3 tends to have a symmetrical deformation without buckling.
Keywords : Crash box, origami, energy absorbed,deformation

## PENDAHULUAN
Pendekatan  desain  umum  untuk  meningkatkan kualitas crashworthiness adalah  dengan  memasang perangkat  penyerap  energi,  yang  bisa  menyerap energi  kinetik  selama  terjadi  tabrakan.Tabung logam  berdinding  tipis  yang  berbentuk  tabung lingkaran  atau  persegi,  telah  banyak  digunakan untuk  tujuan  tersebut.Pada automobil perangkat tersebut  dikenal  sebagai crash  box . Crash  box terpasang  antara  bumper  dan  struktur  utama kendaraan  yang  berfungsi  untuk  menyerap  energi saat terjadi tabrakan.
Peneliltian tentang crash box telah banyak dilakukan.  Sebagaimana  penelitian  yang  dilakukan oleh  Singace  dan  l-sobky  (1997)  dan  Hossaini  dan Daneshi  (2003)  pada crash  box pola  tabung melingkar[1][2],  dan  oleh  Lee-et  all  (1999) pada crash  box pola  tabung  persegi[3].  Kim,  Lee dan  Yoo  (2008)  melakukan  penelitian  mengenai desain  bentuk  penampang crash  box berbentuk
persegi  panjang,  segi  enam,  dan  segi  delapan. Diperoleh  hasil crash  box dengan  bentuk penampang persegi panjang mempunyai kemampuan  menyerap  energi  sebesar  55,4%[4]. Adachi, Tomiyama, A., Araki, W., dan
Yamaji(2008) menggunakan
ruas–ruas circumferential untuk mengurangi panjang gelombang  longitudinal  tabung  melingkar  dan diperoleh  peningkatan  rata–rata  penyerapan  energi sebanyak 30%[5].
Trend  saat  ini  penelitian  tentang crash  box mengarah  kepada  pengembangan crash  box dengan pola  origami,  sebagaimana  yang  telah  dilakukan oleh  Ma  J  dan  You  Z  (2012)  Hasil  penelitian menunjukkan  bahwa crash  box pola  origami menunjukkan  ciri–ciri  remukan (collapse) yang dapat  diprediksi  dan  stabil,  dengan  penyerapan energi  yang  meningkat  mencapai  92,1%  dalam kasus yang optimal (optimum case). Pada penelitian ini menggunakan kecepatan 15 km/jam[6].
Dari  latar  belakang  inilah  diperlukan  penelitian lebih lanjut mengenai variasi bentuk crash box pola origami  dengan  metode  taguchi  pada  pengujian  64 km/jam untuk memperoleh kemampuan penyerapan energi yang lebih baik pada saat terjadi kecelakaan.

## METODE PENELITIAN
Crash  box yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah crash  box pola  origami  dengan  penampang persegi,  bentuk  dapat  dilihat  pada  gambar  1.  Pada penelitian ini menggunakan metode taguchiorthogonal  array L9  (3 4 )  yang  mempunyai kombinasi 4 faktor dengan masing – masing faktor memiliki  3  level  sebagaimana  ditunjukkan  pada Tabel 1 . Tabel 1 O rthogonal array L9 (3 4 )
No C b t M/l 1 9 40 0,8 3 40 2 9 50 1 5 24 3 9 60 2 6 20 4 10 40 1 6 20 5 10 50 2 3 40 6 10 60 0,8 5 24 7 11 40 2 5 24 8 11 50 0,8 6 20 9 11 60 1 3
40
Gambar  2Modul  dan  Segmen crash  box pola origami Dengan : c :Panjang cekungan (c) b :lebar antar cekungan (b) t :tebal (t) M
: jumlah cekungan/segmen (satuan)
l
: panjang sisi (mm)
Material yang digunakan pada penelitian ini adalah aluminium  AA7003-T7,  dimana  merupakan  jenis material  yang  baru  digunakan  pada  penelitian  ini, sifat mekanis pada material adalah:
Density (kg/m3) Poisson’s Ratio Young Modulus (GPa) Yield Strength (MPa)
UTS (MPa) Tangent Modulus (GPa) : : : : : : 2771 0.33 71 247 291 0.5
Material  ini  sendiri  dimodelkan  sebagai bilinier isotropic  hardening Permodelan  dimana  material mengalami  deformasi  elastis  dilanjutkan  dengan deformasi  plastis.  Penambahan  pembebanan  akan menimbulkan peningkatan deformasi pada material. Analisa  pemodelan crash  box ini menggunakan  software  berbasis  elemen  hingga. Pada  bagian impactor dan fixed dianggap  sebagai rigid  body ,  sedangkan crash  box diasumsikan sebagai  deformable.  Pemodelan  dibuat  dengan  3 dimensi,  dimana  perpindahan impactor searah sumbu Y kondisi ini sesuai dengan Gambar 3.
Gambar 2. Model pengujian crash box
Model  pengujian  pada  penelitian  ini  adalah quasi- static  testing yaitu  dengan  pergerakan  impactor yang bergerak searah sumbu  –Y dengan kecepatan 64  km/jam[7],  pergerakan  akan  menghasilkan perubahan deformasi plastis, perubahan inilah yang nantinya akan didata sebagai penyerapan energi.
HASIL DAN PEMBAHASAN Energi Yang Diserap
Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  diperoleh data  diantaranya  adalah  gaya  reaksi  dan  nilai penyerapan  energi,  gaya  reaksi  merupakan  kondisi ketika crash  box memberikan  gaya  ketika menerima  beban  impak  untuk  mencegah  terjadinya deformasi.  Seiring  dengan  bertambahnya  beban impak yang melebihi batas kritis, maka akan terjadi perubahan deformasi.
Gambaran  ini  dapat  dijelaskan  melalui  data  gaya reaksi  dengan  perpindahan  pada  impactor,  saat terjadi tumbukan pada gambar 3.
𝑈 = 𝑊 =     𝑃(𝛿) 𝛿 0 𝑑𝛿 Dengan : U = Energi regangan (J)
W = Usaha (J) P = Beban (N) 𝛿 = Perpindahan (m)
Rumus  diatas  merupakan  rumus  yang  digunakan untuk  menghitung  besarnya  energi  regangan  atau energi  yang  diserap  oleh crash  box saat  terjadi deformasi, besarnya energi regangan sendiri adalah luasan  dibawah  grafik  gaya  dan  deformasi  pada gambar 4
Pada  grafik  gaya  reaksi  yang  terjadi  pada crash box ,  dapat  dianalisa  luasan  dibawah  kurva  sebagai usaha  yang  dilakukan  oleh  impactor.  Maka  energi regangan  dapat  diasumsikan  hasil  konversi  seluruh energi   kinetik yang  terjadi, maka  dari  perhitungan luas  area  dibawah  grafik  gaya  reaksi  dengan menggunakan software Inventor dengan menggunakan faktor skala, faktor sekala didapatkan dari perbandingan luas grafik sebenarnya dengan software inventor .
Berdasarkan  perhitungan  luas  daerah  dibawah grafik didapatkan energi yang diserap oleh masing- masing crash box yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2Energi yang diserap pada setiap variasi diameter dan panjang crash box.
No Nama Energi (J) 1 Crash box 1 1215.864 2 Crash box 2 1854.383 3 Crash box 3 7247.826 4 Crash box 4 1872.232 5 Crash box 5 3229.346 6 Crash box 6 1545.439 7 Crash box 7 4329.352 8 Crash box 8 1264.587 9 Crash box 9 1516.320
Pada  uji  coba  simulasi crash  box pola  origami didapatkan  hasil  sesuai  gambar  grafik  3,  dari  data diatas  diperoleh  data  penyerapan  energi  tertinggi sampai  terendah,  penyerapan  energi  tertinggi  di capai  oleh crash  box pola  3,  7  dan  5  dan penyerapan energi terendah pada crash box pola 1.

## Analisis Taguchi
Pada Gambar 4 terlihat karakteristik kualitas respon kemampuan  penyerapan  energi  adalah  “ larger  the better ”  maka level faktor  yang memiliki rata–rata semakin bertambah besar yang dipilih sebagai level yang optimal. Berdasarkan data Gambar 4 juga bisa dianalisa  dari  keempat  faktor  yang  paling mempengaruhi  kemampuan  penyerapan  energi adalah,  tebal  (t),  jumlah  segmen  (M/l),  jarak  antar cekungan (b) dan panjang cekungan (c).
Hal ini bisa disimpulakan semakin tebal crash box maka kemampuan penyerapan energi akan semakin
Gambar 3 Gaya Reaksi Pada Crash Box
bagus,  dan  faktor  yang  berpengaruh  juga  adalah jumlah  segmen,  hal  ini  berarti  pola pre-folded origami  dapat  memaksimalkan  mode  collaps  yang optimal  sehingga  dapat  meningkatkan  kemampuan penyerapan energi.

## Gambar 4 Analisa Taguchi

## Deformasi Pada Crash box
Pada Gambar 5 terdapat tampilan perbedaan antara crash  box origami  3  segmen,  5  segmen  dan  6 segmen,  terlihat  origami  3  segmen  dan  5  segmen terjadi buckling karena  pembebanan  yang  diterima oleh origami terlalu besar dan melebihi beban kritis maksimum,  namun  terlihat  pada  origami  6  segmen mempunyai deformasi concertina mode.
Pada Gambar 6 terlihat mode collaps yang terjadi pada crash  box pola  origami,  terlihat  bahwa terjadi buckling pada crash box 1, 4, 5, 6  dan 7.
Dan  terjadi  mode  collpas  yang  sesuai  pada crash box 2, 3, 8, dan 9. Pada crash box 1 sedikit terjadi ketidak  simetrisan  pada  segmen  nomor  2 dikarenakan crash box pola origami 1 mempunyai momen  inertia  yang  kecil  dan  luas  penampang yang  kecil  yang  berdampak  pada  penyerapan energi  yang  tidak  optimal,  namun  masih  mampu menahan  beban  impack.  Dan  jika  dilihat  dari pengamatan visual dari arah atas deformasi masih stabil.  Pada crash  box yang  mempunyai  segmen (M)  3  mempunyai  mode collapse yang  belum sempurna,  hal  ini  terlihat  pada crash  box pola origami 1 dan 5, terdapat pergeseran pada segmen 2  karena  ketidak  mampuan  menahan  beban impact,  namun  tetap  simetris  jika  dilihat  dari pandangan  atas.  Hal  ini  berbeda  pada crash  box pola  origami  nomor  9,  yang  mempunyai  pola deformasi  yang  sempurna.Hal  ini  terjadi  karena pada crash box pola origami nomor 9 mempunyai kesesuaian  geometri  dengan  momen  inertia  dan luas penampang.
Pada crash  box segmen  (M)  5  mempunyai collapse yang  bervariatif,  gambar  6  (b),  (f)  dan (g).pada  gambar  6  (b)  terlihat  bahwa crash  box mempunyai mode collapse concertina mode. Pada gambar 6 (f) crash box terlihat terjadi bukling, hal ini  terjadi  dikarenakan  jumlah  segmen  yang banyak  namun  tidak  diimbangi  dengan  momen
inertia  dan  luas  penampang  yang  besar,  begitu juga pada gambar 6 (g).
Pada crash box segmen (M) 6 Pada gambar 6 (c)
(d)  dan  (h)  terlihat  sebagian  besar crash  box bermode  concertina.  Pada  gambar  6  (d)  dengan pengamatan visual, terjadi bukling, namun terjadi mode  deformasi  yang  tidak  berurutan,  hal  ini dikarenakan  momen  inertia  dan  luas  penampang yang kecil.Dan pada gambar 6 (c) dan (h) terlihat crash  box  collapse dengan  mode  concertina  dan deformasi terjadi secara berurutan.
Tabel 3 Perilaku deformasi Model c b t M Pola 1 9 40 0,8 3 D 2 9 50 1 5 C 3 9 60 2 6 C 4 10 40 1 6 D 5 10 50 2 3 D 6 10 60 0,8 5 D 7 11 40 2 5 D 8 11 50 0,8 6 C 9 11 60 1 3 C
Dari hasil pengamatan visual pada crash box pola origami  dengan  pengujian high  speed  impact dapat disimpulkan bahwa deformasi yang terbesar terjadi  pada crash  box pola  origami  adalah concertina  mode sebesar  44%  dan  sebesar  56  % mengalami deformasi diamond mode. Hal diatas bisa disimpulkan bahwapola pre-folded origami dapat memaksimalkan mode collaps yang optimal sehingga dapat meningkatkan kemampuan  penyerapan  energi.  Hal  ini  terjadi pada crash box pola origami nomor 2, 3, 8, dan 9 terjadi mode  collapse yang  simetri  dan  dapat diprediksi.  Namun  pada crash  box pola  origami juga  harus  mempunyai  kesesuaian  geometri  agar pola pre-folded bisa bekerja secara maksimal.

## Pengaruh momen inertia
Agar crash  box mampu  terdeformasi  plastis  atau terbentuk lipatan lebih besar pada dindingnya maka harus  memiliki  momen  inertia  yang  besar  dan secara linier beban kritis nya juga makin besar, hal ini sesuai dengan persamaan beban kritis:
𝑃 𝑐𝑟 = 𝜋 2 𝐸𝐼 4𝐿 2
Dengan : P cr = Beban kritis ( N ) E = Modulus Elastisitas ( Pa ) I = Momen inersia penampang ( m 4 ) L = Panjang kolom ( m )
Gambar  5 Perubahan deformasi crash box pola origami (a) 3 segmen, (b) 5 segmen,
(c) 6 segmen
(c) (b) (a)
Gambar 6 konfigurasi deformasi 0,00402 s pada (a) Crash box 1 (b) Crash box 2 (c) Crash box 3 (d) Crash box 4 (e) Crash box 5 (f) Crash box 6 (g) Crash box 7 (h) Crash box 8 (i) Crash box 9
Pada  rumus  diatas  beban  kritis  ( Pcr )  berbanding lurus dengan inersia luasan dan modulus elastisitas bahan serta berbanding terbalik dengan panjang.Pada gambar 8 grafik hubungan deformasi dengan gaya kontak crash box pola origami.
Gambar 7 Pengaruh Momen Inertia
Dari  Gambar  7  terlihat  bahwa  trend  penambahan penyerapan  energi  semakin  meningkat  dengan bertambah besarnya momen inertia.

## Pengaruh Segmen
Segmen  pada crash  box pola  origami  sangat berpengaruh terhadap penyerapan energi dan mode collaps , pada gambar 8 terlihat dengan jelas bahwa pengaruh segmen terhadap crash box pola origami terlihat.  Dari  gambar  8  variabel  tetapnya  adalah  t (tebal) yang terdiri dari 0,8 mm, 1 mm dan 2 mm.

## Gambar 8 Pengaruh segmen
Dapat disimpulkan bahwa semakin banyak segmen maka  penyerapan  energi  akan  semakin  optimal, namun  hal  ini  harus  diimbangi  dengan  momen inersia yang besar agar tidak terjadi buckling .

## KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  yang telah dilakukan dalam penelitian ini, dapat diperoleh kesimpulan :
1. Karakteristik  kualitas  respon  kemampuan penyerapan  energi  dengan  metode  taguchi adalah “ larger the better ”, hal ini berarti level faktor    yang  memiliki  rata–rata  nilai bertambah  besar  dipilih  sebagai  level  yang optimal.  Juga bisa dilihat dari urutan keempat faktor yang paling mempengaruhi kemampuan  penyerapan  energi  adalah,  tebal
(t),  jumlah  segmen  (M/l),  jarak  antar cekungan (b) dan panjang cekungan (c).
2. Yang  memenuhi  kriteria  optimal  pada penelitian  ini  adalah crash  box pola  origami nomor  3,  yang  mempunyai  6  segmen  dan momen inertia terbesar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]Singace,  A.A.,  and  El-Sobky,  H.,  1997, “Behaviour  of  Axially  Crushed  Corrugated Tubes,” Int. J. Mech. Sci., 39(3), pp. 249–268.
[2]  Hosseinipour,  S.J.,  and  Daneshi,  G.H.,  2003, “ Energy Absorbtion and Mean Crushing Load of  Thin-Walled  Grooved  Tubes  Under  Axial Compression ,” Thin-Walled Struct., 41(1), pp. 31–46.
[3]Lee, S., Hahn, C., Rhee, M., and Oh, J.-E., 1999, “ Effect of Triggering on the Energy Absorption Capacity  of  Axially  Compressed  Aluminum Tubes ,” Mater. Des., 20(1), pp. 31–40.
[4] Kim, Lee dan Yoo. 2008. Design of The Cross Section Shape of An Aluminum Crash   Box for  CrashworthinessEnhancement  of  a  Car. Korea.
[5]Adachi,  T.,  Tomiyama,  A.,  Araki,  W.,  and Yamaji, A. 2008. Energy Absorption of a Thin- Walled  Cylinder  With  Ribs  Subjected  to  Axial Impact. Int. J. Impact Eng., 35(2), pp. 65–79.
[6]  Zhang,  X.,  dan  You,  Z.,  2014. Energy Absorption of  Thin-Walled Square Tubes With a Prefolded Origami Pattern—Part I: Geometry  and  Numerical  Simulation .  Journal of Applied Mechanics Vol. 81.
[7]Hobbs  C.    Adrian.,  McDonough,  Paul    J.  1998. Development    Of    The    European    New    Car Assessment    Programme    (Euro    Ncap). . Transport    Research  Laboratory,  Paper Number  9%Sl  l-10-06, United  Kingdom.