Abstrak — Komposit  serat  kaca/Isopoliester  memiliki  potensi untuk  dibentuk  menjadi  tangki  CNG  tipe  IV  sebagai  alternatif bahan  yang  mudah  dibuat  dan  murah.  Studi  ini  menggunakan simulasi numerik dengan metode elemen hingga untuk mengkaji kemampuan  komposit dalam  menerima  beban tekanan internal. Faktor  keamanan  yang  digunakan  adalah  1,5  sehingga  nilai tekanan  internal  yang  diaplikasikan  sebesar  30  Mpa.    Jumlah lapisan  laminat  dan  konfigurasi  arah  serat  dipilih  sebagai variabel  bebas.  Analisa  numerik  tangki  CNG  dilakukan  dengan menggunakan  program  MSC  Nastran.  Distribusi  pergeseran pada tangki  menunjukkan konfigurasi sudut (0,90) memberikan hasil  optimum  untuk  diaplikasikan.  Jumlah  lapisan  minimum yang  dibutuhkan  pada  komposit  adalah  24  lapis  laminat  sesuai kriteria  kegagalan Tsai-Hill. Namun demikian tebal yang cukup besar  15,3  mm  menyebabkan,  material  komposit  serat kaca/isopolester  tidak  disarankan  sebagai  alternatif  bahan pembuatan tangki CNG tipe IV.
Kata Kunci — Analisa numerik, komposit laminat, serat kaca, , isopolyester, tangki compressed natural gas (CNG) tipe IV.

## I. PENDAHULUAN
ENGGUNAAN  gas  alam  pada  kendaraan  bermotor umumnya menggunakan Compressed Natural Gas (CNG) daripada Liquified  Natural  Gas (LNG).  Hal  ini  dikarenakan efisiensi  produksi  CNG  lebih  tinggi  daripada  LNG  yang memerlukan proses regasifikasi sebelum dapat didistribusikan melalui jalan darat [1]. Namun, salah satu permasalahan dari penggunaan  CNG  adalah  kebutuhannya  terhadap  tempat penyimpanan yang lebih baik dari LNG karena tekanannya yang  lebih  besar,  sekitar  200-220  bar  [2].  Oleh  karena  itu, berbagai  jenis  material  telah  dikembangkan  agar  dapat memenuhi standar tersebut.
Terdapat  empat  macam  tabung  CNG.  Tabung  tipe  IV terbuat  dari  komposit  polimer  yang  menggunakan  plastik HDPE di bagian dalam yang diproduksi dengan blow molding . Tetapi  90%  tabung  CNG  yang  saat  ini  bersedar  di  pasaran masih terbuat dari logam yang merupakan jenis tabung tipe I. Logam  sebagai  material  yang  memiliki  massa  jenis  yang tinggi  dapat  menghambat  laju  dari  kendaraan  sehingga  mulai dikembangkan  dan  dipasarkan  tabung  tipe  IV  yang  bermassa lebih ringan. Permasalahan yang muncul dari penggunaan
tabung  CNG  tipe  IV  adalah  harganya  yang  mahal  jika dibandingkan dengan tiga jenis tabung lainnya.
Berbagai  macam  jenis  komposit  polimer  dapat  digunakan dalam  pembuatan  tabung  CNG  tipe  IV  selama  dapat memenuhi  standard  E/ECE/324.    Telah  banyak  penelitian yang  berusaha  mencari  komposisi  komposit  yang  tepat  agar diperoleh  sifat  yang  optimum.  Resin  epoksi  telah  banyak diteliti dan  menujukkan hasil  yang  memuaskan. Tetapi, harga resin epoksi cukup tinggi sehingga kita dituntut untuk mencari alternatif  bahan yang  lebih  terjangkau  tetapi  tetap mempertahankan  perfomansi  yang  ada  [3].  Penelitian  ini memilih  material  komposit  serat  kaca/vinil-ester  untuk menggantikan  dominasi  serat  karbon/epoksi  dan  serat kaca/epoksi.
Optimasi  sifat  mekanik  dari  tabung  tidak  hanya  dengan pemilihan  material  tetapi  juga  melalui  pemilihan  parameter proses  produksi.  Komposit  yang  bersifat  anisotropik  dapat direkayasa  agar  dapat  mendekati  material  isotropik  (material kuasi-isotropik:  arah  [0,  +45,  -45,  90]  dengan  menggunakan lamina  arah  tunggal  yang  ditumpuk  membentuk  laminat dengan sudut yang berbeda–beda [4].
Penelitian–penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa sudut 55 o merupakan besar sudut penggulungan tabung CNG  [5].  Besar  sudut  optimum  ini  berlaku  untuk  komposit serat kaca E/epoksi dan juga serat gelas C/vinil-ester [6]. J.C. Velosa dkk [7] menggunakan sudut [90,(+20,-20) 2 ] s dan hanya dapat menahan tekanan sebesar 1,9 MPa. Dengan arah serat [- 70,  +70,  (-45,  +45) 2 ,  -70,  0,  (+45,  -45) 3 ,  +45]  dan  rasio tegangan  0H:1A,  F.Elliyin  dkk  [8]  mengetahui  bahwa  terjadi penjalaran  retak  pada  lamina  arah  70 o .  Bakaiyan  dkk  [9] membandingkan  nilai  indeks  kegagalan  Hill  pada  tabung dengan  arah  serat  +θ,-  θ,+  θ  -  θ  dan  90,90,+  θ  ,-  θ  . Konfigurasi sudut 90, 90, +35, -35 memiliki kondisi teraman. Tegangan  hoop,  aksial,  dan  radial  dibandingkan  untuk dianalisis pengaruh serat terhadap tekanan internal. Berdasarkan  hal–hal  tersebut,  dapat  dirancang  suatu  tabung komposit  dengan  arah  serat  yang  dapat  menahan  baik  beban aksial  tetapi  juga  beban  hoop.  Pada  penelitian  ini  dianalisis pengaruh  arah  serat  terhadap  distribusi  beban  pada  tabung
Simulasi Komposit Isopoliester/Serat Kaca untuk Compressed Natural Gas (CNG) Tipe IV dengan Variasi Arah Serat terhadap Tekanan Internal
M.Imam Bukhori dan Lukman Noerochim
Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail : lukman@mat-eng.its.ac.id
P
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                         F-244
serta  mencari  ketebalan  minimum  untuk  menahan tekanan 30 MPa.

## II. P EMODELAN
Komposit  yang  dipakai  adalah  komposit  DMX  dan komposit  DCMB  yang  diproduksi  oleh  PT  Triaxis Composites.  Merupakan  komposit  dengan  penyusun  matriks isopoliester  dengan  penguat  serat  kaca  yang  dikuatkan  secara uniaksial

## A. Analisis Tegangan dan Regangan
Tabung  komposit  mengacu  pada  sistem  koordinat silindrikal  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Sistem koordinat  silidrikal  dipilih  karena  geometri  yang  dianalisis berbentuk  silinder.  Sumbu  r  menunjukkan  arah  radial,  sumbu z  menunjukkan  arah  aksial,  dan  sumbu  T  menujukkan  arah melingkar (hoop).
Gambar 1. Sistem koordinat silindrikal pada tabung komposit
Displacement (pergeseran)  pada  arah  radial  dan  aksial hanya  ditentukan  oleh  koordinat  radial  dan  aksial.  Sehingga, displacement akibat  pemberian  tekanan  pada  tabung  dapat diekspresikan sebagai berikut :
(1)
Tabung komposit diasumsikan sebagai material orthotropik dua  dimensi  [10].  Berdasarkan  sistem  koordinat  silindrikal, hubungan  tegangan  regangan  pada  material  orthotropik  dua dimensi sesuai persamaan dapat diturunkan menjadi berikut :
(2) (3)

## B. Sifat Pelat Laminat Dua-Dimensi
Sifat  pelat  komposit  dua  dimensi  dapat  ditentukan  dengan mengetahui matriks kekakuan laminat Qij.
(4)
Notasi  1  dan  2  mengacu  pada  sumbu  prinsipal  material yang  sejajar  dan  tegak  lurus  arah  serat.  Nilai  komponen matriks dapat diketahui dari konstanta teknik.
(5)
(6)
(7)
(8)
Nilai  tegangan  dan  regangan  pada  sistem  koordinat silindrikal  dan  sistem  koordinat  lokal  (serat)  seperti  yang tampak  pada  gambar  2.  dapat  dihubungkan  dengan  matriks transformasi [ T ].
(9)
(10)
Notasi θ merupakan  besar  sudut  serat  yang  mengacu  pada sumbu aksial.
Gambar 2. Hubungan antara sistem koordinat global, lokal dan silindrikal.

## III. KONDISI BATAS
Kondisi batas ditentukan oleh kondisi struktur geometri dan kondisi  pembebanan.  Slip  diasumsikan  tidak  terjadi  saat proses pembebanan. Selain itu, tidak terdapat diskontinu pada tegangan dan displacement.
Gambar  menunjukkan  dimensi  tabung  yang  dianalisis. Tumpuan diberikan di kedua ujung tabung pada arah x,y, dan z  sehingga  tabung  dapat  mengikuti  hukum  newton  I.  Beban yang diberikan berupa internal merata pada permukaan tabung sebesar 30 MPa dengan faktor keamanan sebesar 1,5.
Persamaan integral yang dapat digunakan dalam mendefinisikan  beban  yang  diterima  tabung  adalah  sebagai berikut :
Notasi  N  adalah  gaya  yang  diaplikasikan  sedangkan  M adalah momen aplikasi.
Persamaan  (11)  menghubungkan  antara  kondisi  batas dengan sifat material.
(13) (14) (15)
(14)
A, B dan D adalah konstanta integrasi. Tegangan, regangan, dan displacement tabung  dapat  diketahui  setelah  seluruh konstanta integrasi diketahui.

## IV. KRITERIA KEGAGALAN
Kriteria  kegagalan  Tsai-Hill  digunakan  untuk  memprediksi kekuatan  lamina    pada  tabung  komposit  laminat.    Kriteria kegagalan  Tsai  Hill  ditulis  dengan  persamaan  (15).  Bentuk tensor dari kriteria ini adalah . F ij adalah parameter kekuatan material anisotropik.
(15)

## V. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Sifat Tarik Komposit
Dalam  simulasi  ini  terdapat  dua  komposit  yaitu  komposit DCMB  dan  komposit  DCMX.  Masing–masing  memiliki konstanta mekanik yang dipaparkan dalam Tabel 1.
Tabel 1. Sifat Mekanik Komposit Properties () DCMX DCMX E 1 4800 15100 E 2 4800 15200 G 12 15200 4800 v 12 0.3 0.3 σ 1 ult 425 425 σ 2 ult 287 287 τ 12 ult 134 134

## B. Konfigurasi Sudut  Optimum Penggulungan
Pengaruh  arah  serat  terhadap  nilai  kriteria  kegagalan  Hill komposit  dapat  diketahui  dengan  memodelkan  20  lamina dengan sudut [+θ]  yang disusun secara berulang sebanyak  10 kali.  Konfigurasi  yang  terdiri  atas  lebih  dari  satu  jenis  sudut dapat  meningkatkan  kekuatan  secara  signifikan  [11].  Nilai indeks  kegagalan  Hill  yang  lebih  rendah  mungkin  diperoleh melalui  kombinasi  dua  sudut  yang  berbeda.  Oleh  karena  itu, permodelan  dilakukan  pada  seluruh  kemungkinan  kombinasi dua  sudut  dengan  mengabaikan  posisi  sudut.  Dalam  simulasi ini konfigurasi sudut yang dipakai adalah :
Nama Permodelan Konfigurasi Sudut Kasus 1 [+45, - 45] Kasus 2 [0, +90] s Kasus 3 [+45,- 45, 0,90] s Kasus 4 [0,+90, + 45,-45] s Kasus 5 [+45,0,- 45,+90] s
Tabel 2 Kasus permodelan laminat
Gambar  4  menunjukkan  bahwa  nilai  kriteria  kegagalan minimum  dicapai  oleh  kasus  pemodelan  2  dengan  nilai [0,+90] yaitu sebesar 2,46.
Gambar  4.  Pengaruh  konfigurasi  dua  sudut  terhadap  kriteria  kegagalan  Tsai Hill
Dalam Gambar 5 dilampirkan distribusi indeks kegagalan tsai hill pada pemodelan dengan oreintasi serat [0,+90] atau kasus 2.
Gambar.5.  Distribusi  indeks  kegagalan  tsai  hill  pada  orientasi  sudut [0,+90].

## C. Ketebalan Minimum Tabung
Konfigurasi sudut optimum yang telah diperoleh sebelumnya  yaitu  konfigurasi  kasus  1,  (0,90)  lalu  digunakan untuk  mencari  jumlah  lapisan  minimum  yang  dibutuhkan. Permodelan  akan  dihentikan  jika  nilai  indeks  kegagalan  telah dibawah satu (indeks kegagalan < 1).
Gambar 6. Pengaruh ketebalan terhadap kriteria kegagalan Tsai-Hill
Gambar    6  menunjukkan  bahwa  jumlah  lapisan  minimum yang  mampu  menahan  tekanan  sebesar  30  MPa  adalah sebanyak 24 lapis atau sebesar 15 mm.
Gambar 7. Perbandingan nilai indeks kegagalan untuk tiga jenis komposit
Komposit  serat  karbon/epoksi  membutuhkan  23lapis  (hasil interpolasi) untuk mampu menerima tekanan 30 MPa. Gambar 7 juga menggambarkan bahwa komposit serat kaca/isopoliester  memiliki  kemungkinan  untuk  mensubstitusi serat  karbon  karena  jumlah  lapis  laminat  yang  dibutuhkan untuk menahan tekanan internal tidak jauh berbeda.
Gambar  8  menunjukkan  bahwa  komposit  serat  kaca/vinil ester dengan jumlah 16 lapis/10 mm mampu menahan tekanan internal hingga 20 MPa.
Gambar 8 . Nilai indeks kegagalan Hill untuk beberapa nilai tekanan dengan jumlah lapisan 16 lapis

## VI. KESIMPULAN
1. Arah  serat  memberikan  pengaruh  yang  signifikan  pada distribusi  beban  di  tabung.  Distribusi  beban  merupakan hasil  interaksi  tegangan  dengan  arah  serat.  Arah  serat yang  berbeda  menyebabkan  perubahan  nilai  tegangan yang diterima.
2. Kombinasi  sudut  [0,90]  pada  komposit  Isopoliester/Serat kaca  merupakan  konfigurasi  penggulungan  serat  paling baik  dalam  menahan  tekanan  internal  CNG  tipe  IV berdasarkan standar E/ECE/324.
3. Bagian alas dan dekat penutup tabung merupakan wilayah memiliki  peluang  terbesar  untuk  terjadinya  kegagalan. Selain  itu  displacement  akan  semakin  besar  seiring semakin jauhnya suatu area dari pusat diameter tabung.
4. Pada aplikasi pembuatan tabung CNG tipe IV berdasarkan standar  E/ECE/324  dengan  material  komposit  serat kaca/isopoliester  dibutuhkan  24  lapis  laminat  sehingga material  ini  tidak  disarankan  sebagai  bahan  untuk  tangki CNG tipe IV

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Hekkert,  Marko  P.,  Hendriks,  Franka  H.J.F.,  Faaij,  Andre  P.C.,  dan Neelis, Maarten L. 2005. ―Natural Gas as an Alternative to Crude Oil in Automotive Fuel Chains Well-to-wheel Analysis and Transition Strategy Development‖, Energy Policy,33:579-594.
[2] 2008.E/ECE/324 Addendum 109: Regulation No.110.United Nation
[3] Gupta,  N.,  Ye,  R.,  dan  Porfiri,  M.2010.‖Comparison  of  Tensile  and Compressive  Characteristics  of  Vinyl  Ester/Glass  Microballoon Syntactic Foams‖,Composites : Part B, 41:236-245.
[4] Niu,  M.  C.  Y.  1992.  Composite  Airframe  Structure  :  Practical  Design Information and Data. Hong Kong : Commilit Press Ltc.
[5] Onder,  Aziz.2007.First  Failure  Pressure  of  Composite  Pressure Vessels.Magister  Thesis.  Graduate  School  of  Natural  and  Applied Sciences of Dokuz Eylul University.
[6] Rosenow, M.W.K.1984.‖Wind Angle Effects in Glass Fibre-Reinforced Polyester Filament Wound Pipes‖, Composites,15:144-152.
[7] Velosa,  J.C.,  Nunes,  J.P.,  Antunes,  P.J.,  Silva,  J.F.,  dan  Marques A.T.2009.‖Development  of  A  New  Generation  of  Filament  Wound Composite  Pressure  Cylinders‖,  Composite  Science  and  Technology 69:1348-1353.
[8] Elliyin,  F.,  Carroll,M.,Kujawski,D.,dan  Chiu,  A.S.1997.‖The  Behavior of  Multidirectional  Filament  Wound  Fiberglass/Epoxy  Tubulars  Under Biaxial Loading‖, Composites Part A,28A:781-790.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 2, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                         F-247
[9] Bakaiyan,  H.,  Hosseini,  H.,  dan  Ameri,  E.  2009.‖Analysis  of  Multi- Layeres  Filament-Wound  Composite  Pipes  Under  Combined  Internal Pressure  and  Thermomechanical  Loading  with  Thermal  Variations‖,
Composites Structure 88:532-541.
[10] Calard,  V.2011.Formulas  and  Equations  for  The  Classical  Laminate Theory.London.
[11] Mertiny,  P.,  Elliyin,  F.,  dan  Hothan,  A.  2004.‖An  Experimental Investigation  on  The  Effect  of  Multi-Angle  Filament  Winding  on  The Strength  of  Tubular  Composite  Structure‖.  Composite  Science  and Technology 64:1-9.