http://ejournal.undip.ac.id/index.php/kapal
1829-8370 (p) 2301-9069 (e)

## Analisis Kekuatan Shaft Propeller Kapal Rescue 40 Meter dengan Metode Elemen Hingga
Totok Yulianto 1)*) , Rizky Chandra Ariesta 1)
1) Departemen Teknik Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Raya ITS, Sukolil, Surabaya, Indonesia 60111
diajukan pada : 10/06/19          direvisi pada : 07/09/19          diterima pada : 07/10/19

## -

## Abstrak
Dalam  mendesain  sebuah  diameter  poros  propeller  disyaratkan  untuk  mempertimbangkan  kekuatannya.  Ukuran diameter  poros  yang  memenuhi  kriteria  kekuatan  ditentukan  sesuai  persyaratan  standar  klasifikasi  yang  digunakan. Tujuan pada penelitian ini adalah menganalisis kekuatan poros dengan diameter 95 mm pada kapal rescue 40 meter menggunakan  Metode  Elemen  Hingga  (MEH).  Tahapan  analisis  pemodelan  geometri  pada  software  finite  elemen analysis (FEA) adalah pembuatan geometri poros, penentuan kondisi batas, pembebanan, pendiskritasian elemen, dan analisis tegangan yang terjadi pada poros. Tegangan ditimbulkan akibat dari putaran mesin, berat dan tumpuan pada setiap  support  pada  poros.  Tegangan  dibandingkan  dengan  aturan  Biro  Klasifikasi  Indonesia  Volume  III  Rules  for Machinery  Installations  untuk  membandingkan  nilai  diameter  desain  poros  dengan  tegangan  yang  diambil  dari  nilai safety factor pada setiap daerah poros. Berdasarkan hasil analisis, didapatkan nilai tegangan geser maksimum terjadi pada poros dengan nilai 88 MPa dengan tegangan yang diijinkan adalah 102.9 MPa. Sedangkan tegangan von Mises maksimum yang terjadi adalah sebesar 152.3 MPa dengan tegangan yang dijinkan adalah sebesar 205.8 MPa. Maka material AISI 304 dengan diameter 95 mm memenuhi tegangan yang diijinkan oleh klasifikasi.
Copyright © 2019, KAPAL , 1829-8370 (p), 2301-9069(e)
Kata Kunci : Poros, Metode Elemen Hingga (MEH), Geometri, Tegangan

## 1. PENDAHULAN
Kapal  beroperasi  menggunakan propeller yang  diputar  oleh  mesin  dan  ditransformasikan putarannya  oleh  poros propeller .  Poros  yang berputar  harus  mampu  menahan  gaya  yang bekerja  dalam  perputarannya.  Gaya  yang  bekerja pada  poros  adalah  gaya  dorong  dari propeller untuk  mendorong  kapal  ( thrust ),  momen  torsi akibat  putaran propeller ,  berat propeller ,  dan berat  daripada  poros  itu  sendiri.  Sistem  poros merupakan  elemen  mesin  yang  penting  untuk daya dorong kapal. Sedangkan propeller berfungsi untuk  mendistribusikan  daya  dari  mesin  utama atau  utama gearbox untuk  poros propeller .  Torsi yang  dikeluarkan  oleh  mesin  utama  akan
menyebabkan  kegagalan  pada  kopling  yang berakibat  putus,  terutama  pada  kunci  dan  baut. Kerusakan  pada  sambungan  merupakan  masalah penting  karena  mesin  utama  tidak  dapat mendistribusikan daya ke propeller [1].
Secara  teori  jika  kekuatan  desain  diameter poros propeller tidak  memenuhi  diameter  yang disyaratkan,  maka  poros  tidak  memenuhi  kriteria klasifikasi yang disyaratkan atau dengan kata lain diragukan  kekuatannya.  Oleh  karena  itu  perlu dilakukan analisis diameter poros untuk menentukan  kekuatann  dengan  mensimulasikan analisis  hasil  tegangan  untuk  memprediksi kekuatan  poros  pada  desain  sebagai  syarat pemenuhan standar klasifikasi.
Sifat  material,  sifat  geometris  dan  proses manufaktur  dapat  mempengaruhi  kualitas  suatu desain  [2].  Nubly  [3]  dalam  penelitiannya  telah
*) Penulis Korespondensi : Email : penulis@undip.ac.id

## JURNAL ILMU PENGETAHUAN & TEKNOLOGI KELAUTAN KAPAL
melakukan  penelitian  analisis  tegangan  pada poros  dengan  memberikan  variasi  kondisi pembebanan    kerja  mesin  yang  menyebabkan tegangan  terjadi  pada  poros.  Tegangan  yang terjadi  didapatkan  dari  analisis  numerik  dengan menggunakan pendekatan elemen hingga.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis kekuatan  poros propeller Kapal  Rescue  40  meter yang  memiliki  3  poros propeller dengan perbedaan letak tumpuan antara poros kiri, kanan dan  poros  tengah.  Sehingga    dapat  disimpulkan bahwa  desain  poros  dengan  material  AISI  304 berdiameter  95  mm  memenuhi  persyaratan kekuatan yang disyaratkan oleh klasifikasi.

## 2. METODE
Analisis  ini  dilakukan  berdasarkan  studi kasus  yang  pada  Kapal Rescue  Boat 40  meter dengan mesin utama dapat dilihat Tabel 1
Tabel 1. Data Permesinan Kapal Kapal Rescue 40 meter Kriteria Nilai Satuan Merk Mesin Man V12 Unit Power 1400 HP Rpm 2100 m 3 Gearbox Ratio 2.5 : 1 -
Kapal  ini  memiliki  3  poros propeller untuk mendukung  operasionalnya  dapat  dilihat  pada Gambar 1.
Gambar 1. Konfigurasi poros sisi dan poros Times New Roman 11.
Kekuatan  poros  ditentukan  oleh  perhitungan diameter  minimum  dan  beberapa  pembebanan akibat gaya dorong, momen torsi, berat poros dan berat propeller .  Gaya  dorong,  momen  torsi  dan komponen  berat  mengakibatkan  tegangan  pada sepanjang  poros,  tegangan  yang  berpengaruh  di kasus  ini  adalah  tegangan  geser  yang  terjadi  saat kapal  beroperasi.  Perputaran  ini  mengakibatkan tegangan dan deformasi elastis pada poros.
Pada  kasus  ini,  analisis  dilakukan  dengan menggunakan  metode  elemen  hingga  untuk mendapatkan  respon  tegangan  pada  poros. Pemodelan  poros  dibantu  menggunakan  FEA dengan tahapan pemodelan geometri,
mendeskripsikan  material,  menentukan  kondisi batas,  pembebanan,  diskritisasi  elemen,  dan menjalankan  analisis  sehingga  didapatkan  hasil tegangan pada poros.

## 2.1. Permodelan Poros
Poros  dimodelkan  dengan  2  variasi  yaitu dengan memodelkan satu poros bagian tengah dan poros  bagian  sisi  (kanan/kiri).  Poros  bagian  sisi diasumsikan  identik  sehingga  hanya  dimodelkan satu  bagian  pada  penelitian  ini.  Detail  ukuran panjang poros dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Detail perbedaan ukuran konfigurasi poros
Perbedaan  ukuran  terletak  pada  panjang sterntube propeller , panjang sterntube poros pada sisi  sepanjang  2000  mm  sedangkan  panjang sterntube pada  poros  tengah  adalah  2250  mm. Pendefinisian  bagian  model  poros  dapat  dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Pendefisian geometri model bagian poros kapal
Nomor  1  merupakan propeller  boss dan keyway , nomor 2 V- bracket , nomor 3 dan 4 adalah sterntube bearing serta nomor 5 adalah nut mesin.

## 2.2. Mechanical Properties Poros
Mechanical  Properties  Shaft menggunakan material  AISI  304  yang  merupakan  baja  tahan karat  [4]. Mechanical  properties material  AISI 304 dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Data Mechanical Properties AISI 304
Kriteria Nilai Satuan Yield Strength 303.7 Mpa Ultimate Strength 606.7 MPa Density 7950 Kg/m 3 1  2 3 4 5
Elastic Modulus 193 GPa

## 2.3. Gaya Dorong Kapal
Gaya  dorong  (T)  merupakan  gaya  yang diperlukan  untuk  mendorong  kapal  T  harus  lebih besar  dari  tahanan  (R)  kapal,  selisih  antara  T dengan R disebut penambahan tahanan, yang pada prakteknya  dianggap  sebagai  pengurangan  atau deduksi  gaya  dorong propeller .  Kehilangan  gaya dorong  sebesar  (T-R)  ini  dinyatakan  dalam  fraksi deduksi  gaya  dorong  [5].  Maka  T  dapat  dihitung dengan:
𝑇 = 𝐸𝐻𝑃 (1−𝑡).𝑉𝑠 (1)
Thrust didapatkan  dari effective  horse  power ( EHP) berbanding  terbalik  dengan deduction factor (t) yang berbanding lurus dengan kecepatan (vs).

## 2.4. Momen Torsi
Momen torsi digunakan masukan data power mesin,  kecepatan anguler ,  dan gearbox  ratio . Untuk  mendapatkan  kecepatan anguler dari gearbox dengan persamaan berikut:
𝜂 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 = 𝜂𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 (2)
Setelah  mendapatkan  kecepatan anguler dari gearbox , kemudian momen torsi (Mt) yang terjadi pada  dapat  dihitung  menggunakan  persamaan berikut [6]:
𝑀𝑡 = 𝐷𝐻𝑃 .75 .60 2𝜋.𝑛 (3)
dimana  Mt  adalah  momen  torsi  (Kg.m),  DHP adalah delivery  horse  power (HP),  n  adalah  rpm gearbox .

## 2.5. Faktor Keamanan dan Tegangan Izin
Faktor  keamanan  adalah  ratio  kemanan struktur  untuk  mampu  bertahan  terhadap  beban kerja  [7].  Perhitungan  material  faktor  didasarkan pada  rule  Biro  Klasifikasi  Indonesia  Volume  III Rules  for  Machinery  Installation  dengan  material faktor (cw) didapatkan dari [8]:
𝐶𝑤 = 560 𝑅𝑚+160 (4)
Rm  adalah  minimum tensile  strength dari material.  Kemudian  faktor  keamanan  (SF) didapatkan dari:
𝑆𝐹 = 𝑐𝑤 . 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 (5)
Position  factor (PF)  adalah  pengaruh  letak dengan nilai untuk shaft adalah 1.22, lubricating = 1.40 dan keyway = 1.26, berdasarkan perhitungan tersebut  akan  dikalikan  dengan yield  strength material    untuk  mendapatkan  tegangan  ijin. Perhitungan  tegangan  ijin  dilakukan  dengan persamaan:
𝜎 𝑖𝑗𝑖𝑛 = 𝜎 𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 2.𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 (6)
Untuk tegangan ijin shear stress, lalu
𝜎 𝑖𝑗𝑖𝑛 = 𝜎 𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 (7)
Untuk tegangan ijin von Mises stress .

## 2.6. Kondisi Batas dan Pembebanan
Reaksi  atau  gaya  yang  timbul  pada  suatu benda bergantung pada bagaimana benda tersebut ditumpu  dan  disambungkan  terhadap  benda  lain. Ada  beberapa  kondisi  tumpuan  pada  sebuah struktur.  Pada  penelitian  ini,  kondisi  batas berdasarkan  yang  diberikan  pada  model  ada  2 yaitu adalah cylindrical support dan fixed support pada  ujungnya  sesuai  [9] . Batasan  c ylindrical support dipilih  Karena  memiliki  sifat  dapat memberikan  3  macam  kondisi  dengan  batasan gerakan  secara  radial,  axial  dan  tangensial,  untuk model  ini  kondisi  yang  diberikan  adalah  fixed pada  gerakan  radial  dan  free  pada  axial  dan tangensial [10].
Sedangkan untuk analisis ini hanya menggunakan sistem entry load pada model dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Beban-beban pada poros Jenis Beban Nilai Satuan Thrust 45150 N Torisonal Moment 11878 N.m Shaft Weight 1024 Kg Propeller Weight 138 Kg

## 2.7. Sensitifitas Diskritiasasi
Mesh  Sensitivity pada  Gambar  4  dan  Gambar 5.  merupakan  tahapan  yang  dilakukan  untuk menentukan ukuran elemen yang digunakan untuk mendapatkan hasil yang valid [11].
Gambar 4. Grafik Mesh sensitivity deformasi vs ukuran mesh
Gambar 5. Grafik mesh sensitivity tegangan geser vs ukuran mesh
Berdasarkan  analisis  ukuran  elemen  yang digunakan  adalah  5  mm  untuk  proses  analisis selanjutnya.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  hasil  analisis  menggunakan software FEA  maka  didapatkan  hasil  tegangan geser (σ y ) dan tegangan von Mises (σ v ) pada poros sisi dapat dilihat pada Gambar 6.
(a)
(b)
Gambar 6. Hasil tegangan geser (a) dan von mises (b)
Dapat  dilihat  tegangan  geser  yang  terjadi pada  poros  sisi  sebesar  88.18  MPa  dan  tegangan von mises yang terjadi sebesar 152.73. Kemudian tegangan  yang  terjadi  poros  tengah  yang  dapat dilihat pada Gambar 7.
(a) (b)
Gambar 7. Hasil tegangan geser (a) dan von mises (b) poros tengah
Pada  poros  tengah  dapat  diamati  tegangan geser  yang  terjadi  pada  poros  sisi  sebesar  87.92 MPa dan tegangan von mises yang terjadi sebesar 152.28  MPa.  Setelah  didapatkan  tegangan  pada masing-masing dilakukan
perhitungan berdasarkan  persamaan  (5)  untuk  mendapatkan nilai  faktor  keamanan  yang  dapat  dilihat  pada Tabel 4.

## Tabel 4. Faktor Keamanan Bagian Poros
Items PF SF Shaft 1.22 1.48 Sterntube Bearing 1.40 1.69 Keyway 1.46 1.52
Nilai faktor keamanan digunakan untuk menentukan  nilai  tegangan  geser  dan  tegangan von  mises  yang  diijinkan  sepanjang  poros.  Nilai tegangan  geser  dan  tegangan  von  mises  yang diijinkan  pada  poros  sisi  (kiri/kanan)  terdapat  di Gambar 8.
Gambar 8. Tegangan ijin pada poros sisi
Nilai tegangan geser dan tegangan von mises yang  diijinkan  pada  poros  tengah  terdapat  di Gambar 9. Gambar 9.a adalah hasil tegangan von mises dan Gambar 9.b adalah tegangan geser yang terjadi pada poros. Berdasarkan grafik penerimaan tegangan geser dan tegangan von mises maka nilai tegangan  ijin  pada  poros  sisi  dan  tengah  dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Tegangan Ijin Items σ y (max) σ v (max) σ iy (max) σ iv (max) Shaft (s) 88.18 152.73 102.9 205.8 Shaft (c) 87.92 152.28 102.9 205.8
(a)
(b)
Gambar 9. Tegangan ijin pada poros tengah

## 4. KESIMPULAN
Hasil penelitian ini dapat menjelaskan bahwa kekuatan poros propeller Kapal Rescue 40 M  sisi maupun  tengah  dengan  menggunakan  material AISI  304  berdiameter  95  mm  menghasilkan tegangan  geser  dan  tegangan  von  mises  yang masih  memenuhi  tegangan  yang  diijinkan  oleh klasifikasi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] D.  E.  E.  Osakue,  D.  L.  Anetor  and  D.  C.
Odetunde, "Fatigue Shaft Design Verification  for  Bending  and  Torsion," International Journal of Engineering Innovation  and  Research, vol.  4,  no.  1,  pp. 197-206, 2015.
[2] Y.  Zhang,  X.  D.  He,  Q.  L.  Liu  and  B.  C. Wen,  "Reliability-based  optimization  and robust design of a coil tube-spring with non- normal distribution parameters," in IMechE , 2005.
[3] H.  M.  Nubly  and  H.  Yudo,  "Strength Analysis  of  Propeller  Shafting  on  Orca Class Fisheries Inspection Boat Using Finite Element  Method," International  Journal  of Civil Engineering and Technology (IJCIET), vol. 8, no. 10, pp. 1599-1610, 2017.
[4] R. Plaut and C. Herrera, "A short review on Wrought  Austenitic  Stainless  Steel  at  high temperatures,  processing,  microstructure,
properties  and  performance," Material
Research, vol. 10, no. 4, pp. 453-460, 2007.
[5] E. V. Lewis, Principles of Naval
Architecture,  Jersey  City:  The  Society  of Naval  Architects  and  Marine  Engineers,
1988.
[6] T. D. S. Z. 9. MTU Friedrichshafen GmbH, "marinepartexpress,"  [Online].  Available: www.marinepartexpress.com/prodbullzf07/ ZF_9300.pdf.. [Accessed 12 Juni 2019].
[7] Y.  W.C  and  B.  R.G,  Roark's  Formulas  for Stress  and  Strain,  Ney  Jersey:  New  York McGraw, 2002.
[8] B.  K.  Indonesia,  Volume  III  Rules  For Machinery Installations, Jakarta: Biro
Klasifikasi Indonesia Head Office, 2018.
[9] W.  Kang,  Z.  Zhengguo  and  Y.  Chen,  "The Random  Vibration  and  Force  transmission characteristics  of  the  elastic  propeller- shafting system induced by inflow turbulence," Ocean  Engineering, vol.  188,
no. 106317, pp. 1-13, 2019.
[10] A.  Nadaf  and  V.  Raikar,  "Design  & Analysis  of  Composite  Shaft  of  Pasengger Vehicle," International Research Journal of Engineering  and  Technology  (IRJET), vol.
04, no. 08, pp. 151-158, 2017.
[11] L. D.L, A First Course in the Finite Element Methods, Canada: THOMSON, 2007.