## Analisis dan optimasi struktur sasis bus dengan batasan tegangan maksimum dan defleksi pada beban maksimum
Ojo Kurdi 1,2 , Ismoyo Haryanto 1,2 , Agus Suprihanto 1 , Ian Yulianti 3 , Nur Aziyah 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Diponegoro Jl. Professor Sudarto, SH, Tembalang, Semarang 50275
2 National Center for Sustainable Transportation Technology, Indonesia Center for Research and Community Services (CRCS) Building, Lv. 2, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa No.10, Kota Bandung, Jawa Barat 40132
3 Jurusan Fisika, Universitas Negeri Semarang Email korespondensi: ojokurdi@ft.undip.ac.id

## Abstrak
Sasis merupakan bagian penting dari sebuah kendaraan, yang membentuk kerangka dari sebuah kendaraan. Sasis harus cukup kaku untuk menahan kejutan, twist, getaran dan tekanan lainnya. Pertimbangan penting dalam desain sasis adalah memiliki kekakuan lentur yang memadai disertai kekuatan untuk karakteristik handling yang lebih  baik.  Oleh  karena  itu  tegangan  maksimum,  dan  defleksi  merupakan  kriteria  penting  untuk  desain  sasis. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan desain paling optimal dari ketiga desain sasis tipe C, I dan Rectangular Box  (Hollow)  dengan  metode  optimasi  ASO  dan MOGA.   Simulasi  pembebanan  static  structural  dan  optimasi dilakukan  dengan  menggunakan  Finite  Element  Analysis.  Hasilnya  menunjukan  bahwa  tegangan  maksimum terjadi  pada  cross  section  C  besar  tegangan  73,235  Mpa,  dan  defleksi  sebesar  1,5455  mm.  Hasil  analisis pembebanan statik menunjukan bahwa desain tipe Rectangular Box (Hollow) jauh lebih optimal daripada tipe C ataupun I. Berdasarkan optimasi pada sasis bus tipe Rectangular Box (Hollow) dengan dua metode tersebut, hasil terbaik menggunakan metode ASO dengan nilai massa optimum sebesar 682,57 kg (persentase penurunan massa sebesar 1,224 %) dengan equivalent (von-misses) stress sebesar 53,557 MPa dan total deformasi sebesar 1,1847 mm. Sementara itu, dengan metode MOGA diperoleh massa optimum sebesar 686,83 kg dengan equivalent (von- misses) stress 53,517 MPa dan total deformasi sebesar 1,1809 mm. Terjadi penurunan massa sebesar 0,608%.
Kata kunci : adaptive single objective (ASO), defleksi, multi objective genetic algorithm (MOGA), tegangan maksimum

## Abstract
Chassis is an important part of a vehicle, which forms the frame of a vehicle. Chassis must be rigid enough to withstand  shock,  twist,  vibration  and  other  stresses.  An  important  consideration  in  chassis  design  is  having adequate bending stiffness along with strength for better handling characteristics. Therefore, the maximum stress, and  deflection  are  important  criterias  for  chassis  design.  The  purpose  of  this  study  is  to  determine  the  most optimum design of the three chassis designs of type C, I and Rectangular Box (Hollow) using ASO and MOGA optimization methods.  Simulatation of structural static loading and optimization were done using Finite Element Analysis. The results showed that the maximum stress occurs in the cross-section C with a stress of 73.235 Mpa, and a deflection of 1.5455 mm. The results of the static load analysis showed that the design of the type Rectangular Box (Hollow) is more optimal than type C or I. Based on the optimization on the Rectangular Box (Hollow) type bus chassis with the two methods, the best results use the ASO method with an optimum mass value of 682, 57 kg (mass reduction percentage of 1.224%) with equivalent (von-misses) stress of 53.557 MPa and total deformation of  1.1847 mm.  Meanwhile, from MOGA method  it  was found that the optimum mass value  was 686.83 kg with equivalent (von-misses) stress of 53.517 MPa and the total deformation was 1.1809 mm. There was a decrease in mass of 0.608%.
Keywords: adaptive single objective (ASO), deflection, multi objective genetic algorithm (MOGA), maximum stress
1. Pendahuluan
Chassis merupakan  bagian  penting  dari  sebuah kendaraan,  yang  membentuk  kerangka  dari  sebuah kendaraan. Chassis berfungsi sebagai kerangka yang bekerja untuk menopang tubuh dan bagian kendaraan yang  lainnya  seperti  berat  kendaraan,  mesin  serta penumpang. Chassis harus  cukup  kaku  untuk menahan kejutan, twist , getaran dan tekanan lainnya. Fungsi utamanya adalah membawa beban maksimum yang  dirancang  dengan  aman  untuk  semua  kondisi saat  beroperasi.  Untuk  kontruksi  rangka chassis itu sendiri  harus  memiliki  kekuatan,  ringan  dan mempunyai  nilai  kelenturan.  Pertimbangan  penting dalam desain chassis adalah memiliki kekakuan lentur yang  memadai  disertai  kekuatan  untuk  karakteristik handling yang  lebih  baik.  Oleh  karena  itu  tegangan maksimum,  dan  defleksi  merupakan  kriteria  penting untuk desain chassis [1]–[4]
Berat  chassis  merupakan  objek  penting  yang  harus dikurangi  agar berat keseluruhan kendaraan  menjadi lebih  ringan  [1],  [5]–[8].    Pengurangan  berat kendaraan  secara  umum  akan  mengurangi  konsumsi bahan bakar dan meningkatkan performanya [6], [9]– [13]  .      Oleh  karena  itu  banyak  peneliti  yang melakukan optimasi struktur chassis untuk mendapatkan  berat  chassis  dan  kendaraan  yang seringan  mungkin  tanpa  mengurangi  unjuk  kerja kendaraan tersebut [5], [14]–[19]
Pada  penelitian  sebelumnya  [2]  menjelaskan  bahwa pada  penelitian chassis kendaraan  dari  bus  TAT  LP 912  Diesel  BS4.  Dimodelkan  empat chassis dengan penampang  melintang  yang  berbeda  yaitu  tipe  C,  I, Rectangular  Box  (Hollow) dan Rectangular  Box (Intermediate). Perhitungan  yang  dilakukan  pada HyperMesh menyimpulkan bahwa bagian Rectangular Box (intermediate) lebih aman dibawah beban  12,825  ton  yang  merupakan  total  berat kendaraan termasuk berat kendaraan kotor dan berat penumpang.  Dari  hasil  tersebut,  bahwa  bagian Rectangular Box (Intermediate) lebih kuat dari pada chassis  dengan  spesifikasi  desain  tipe  C,  I  dan Rectangular  Box  (Hollow). Bagian Rectangular  Box (Intermediate) memiliki defleksi paling rendah  yaitu 1,839 mm pada keempat tipe chassis dari penampang melintang yang berbeda.
Mengurangi berat  kendaraan  dengan  batasan ( constraint )  tegangan  maksimum  dan  defleksi maksimum  diperlukan  dalam  suatu  proses  optimasi agar  didapat  massa  yang  optimum.  Dengan menggunakan optimasi struktur ( structural optimization ),  variabel  yang  akan  dioptimasi  adalah ketebalan dari longitudinal member dan cross member sebagai  penyusun  chassis  bus  tersebut,  sehingga massa  dapat  berkurang  dan  meningkatkan  efisiensi energi, meningkatkan dinamika kendaraan serta dapat meningkatkan  kinerja  kendaraan  secara  keseluruhan [20],  [21].  Pada  penelitian  sebelumnya  menjelaskan bahwa Optimasi  struktur rangka  bus  yang dilakukan
dengan software Hyperworks menghasilkan penurunan  massa  sebesar  5,4%  (reduksi  75kg)  dari massa  total  sebesar  1390  kg  [20].  Ada  dua  metode optimasi  yang  akan  digunakan  dalam  penelitian  ini, yang  pertama  adalah Adaptive  Single  Objective (ASO)  dimana  metode  ini  adalah  metode  optimasi matematis  berbasis algoritma  gradient-based untuk mencapai  hasil  optimumnya.  Metode  yang  kedua adalah  metode Multi-Objective  Genetic  Algorithm (MOGA) dimana metode ini adalah metode optimasi non-gradien, dimana memanfaatkan informasi dalam vektor populasi dari suatu generasi untuk menyesuaikan  arah  pencarian.  Ada  tiga  operator  di dalam DE yaitu: Mutasi, crossover dan seleksi.
Dalam  penelitian  ini,  penulis  menganalisis  struktur chassis bus  dengan  memvariasikan  penampang melintangnya yaitu dengan tipe cross section C, I dan Rectangular Box (Hollow). Untuk itu digunakan suatu software  CAD ,  untuk  memodelkan chassis ,  serta software  Finite  Element  Analysis (FEA)  untuk menganalisa besar tegangan maksimum, dan defleksi maksimum  dari chassis bus  tersebut,  hingga dilakukan  optimasi  ketebalan longitudinal  member dan cross  member pada  struktur chassis bus  dengan penampang melintang tipe Rectangular Box (Hollow)..

## 2. Metode
Dalam kajian ini, optimasi struktur chassis bus untuk meminimalkan  berat  kendaraan  dengan  batasan tegangan  maksimum  dan  defleksi  maksimum,  hal yang  harus  dilakukan  sebelum  dianalisis  dan dioptimasi  adalah  melakukan  pemodelan  struktur chassis bus  dengan  bantuan software CAD.  Dalam melakukan pemodelan chassis bus dengan menggunakan software .
Dalam kajian ini dibuat 3 tipe model chassis dengan cross  section yang  berbeda  yaitu  tipe C,  I dan Rectangular Box (Hollow). Sehingga dikelompokkan jenis-jenis longitudinal  member dan cross  member, yang  digunakan  sesuai  dengan  tipe cross  section masing-masing.
Struktur chassis bus yang digunakan sebagai analisis dan  optimasi  pada  kajian  ini  termasuk  ke  dalam kategori  bus  besar  dengan  kapasitas  maksimum  41 kursi, spesifikasi lengkap dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi chassis bus

## Simulasi Analisis Struktur Statis
Simulasi  analisis  pembebanan  struktur  statis  pada chassis bus  dilakukan  untuk  mengetahui  besar tegangan  maksimum,  defleksi  dan  faktor  keamanan yang  dimiliki  oleh  suatu  model chassis bus  pada kondisi-kondisi tertentu. Pada kajian ini menggunakan software finite element analysis (FEA) untuk melakukan simulasi analisis pembebanan statis (static  structural  analysis). Model  yang  telah  dibuat dengan software disimpan  dalam  bentuk  ekstensi (.sldasm) yang merupakan file assembly terakhir dari pemodelan chassis bus tersebut.

## Kondisi Batas dan Pembebabanan
Kondisi batas yang digunakan berupa fixed constraint atau  tumpuan  jepit,  dimana  pada  tumpuan  jenis  ini, perpindahan translasi dan rotasi tidak diijinkan untuk seluruh arah sumbu. Kondisi batas ini menggambarkan  keadaan  yang  sebenarnya.  Letak kondisi  batas ini pada  model,  yaitu pada sambungan antara chassis dengan struktur bagian atas roda depan dan  belakang.  Sedangkan  beban  yang  ditumpu  oleh chassis adalah  beban  statis  yang  berasal  dari penumpang,  tempat  duduk, body dan  sistem pendingin.  Distribusi  beban pada  model ditunjukkan pada Gambar 1 .
Gambar 1. Beban statis chassis

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  simulasi  berupa static  structural yaitu equivalent (von-misses) stress, total deformation dan safety  factor .  Hasil  simulasi  untuk chassis dengan cross  section C  ditunjukkan  pada Gambar  2 .  Dari data  hasil  simulasi  pembebanan  statis  kemudian dikelompokan pada Tabel 2 .
(a) (b) (c)
Gambar 2. Hasil simulasi chassis dengan cross section C;
a) tegangan von Misses; b). total deformation; c) safety
factor
Basic Dimensions Total length 11500 mm Front ovehang 2200 mm Front wheel base 5950 mm Rear overhang 3350 mm Kapasitas bus 39 tempat duduk penumpang + 1 pengemudi + 1 asisten pengemudi Load condition (kg) 1st Axle 2nd Axle Total Gross vehicle weight (GVW) 5000 10000 15000 Berat Chassis Material STKM 13 B CARBON STEEL Berat chassis cross section
C
443, 62 kg Berat chassis cross section I 465, 53 kg
Berat chassis cross section Rectangular Box (Hollow).
691, 03 kg
Tabel 2. Hasil simulasi pembebanan statis
No Profil
Equivalent (von- Misses) stress (MPa) Total deformation (mm) Safety factor 1 C 73,235 1,5455 4,7791 2 I 58,21 1,5323 6,0127 3 Hollow 53,655 1,1848 6,5232

## Optimasi Struktur Chassis Bus
Pada  proses  optimasi  struktur chassis bus  ini, dilakukan  dengan  batasan  tegangan  maksimum dan defleksi maksimum, sehingga mampu meminimalkan massa chassis bus  tanpa  mengurangi  keamanan  dari chassis bus  tersebut  dan  jenis  optimasi  yang dilakukan  adalah  jenis  optimasi  ukuran  ( size optimization ). Dalam kondisi ini, ketebalan dari setiap longitudinal  member dan cross  member yang menyusun  struktur chassis bus  tersebut  dioptimasi dengan  dua  metode  optimasi  yaitu  metode  optimasi Adaptive  Single  Objective (ASO)  dan  metode optimasi Multi Objective Genetic Algorithm (MOGA).
Hasil  optimasi  ketebalan  dengan  metode Adaptive Single Objective (ASO) dapat dilihat pada Gambar 3 untuk  konvergensi  massa, equivalent (von-misses) stress dan total  deformation .  Dan  hasil  optimasi ketebalan  dengan  metode Multi  Objective  Genetic Algorithm (MOGA) dapat dilihat pada Gambar 4 .
(a) (b)
(c)
Gambar 3. Hasil konvergensi metode ASO; a) massa; b). von Misses; c). total deformation
(a) (b)
(c)
Gambar 3. Hasil konvergensi metode MOGA; a) massa;
b). von Misses; c). total deformation
Setelah  optimasi  selesai,  hasil  optimasi  dinyatakan dalam  bentuk  kandidat,  kandidat  terbaik  diambil, karena  masih  dalam  bentuk  desimal  yang  sangat banyak,  diperlukan  penyederhanaan  terhadap  hasil optimasi. Hasil analisis struktur sebelum dan sesudah optimasi dapat dilihat dari Tabel 3 .
Tabel  3. Perubahan  massa,  equivalent  (von-misses)  stress dan total deformation sebelum dan sesudah optimasi
Massa (kg) Equivalen t (Von- misses) stress Total defor mation Deviasi massa (%) Awal 691,03 53,655 1,1848 0 Optimasi ASO 682,57 53,557 1,1847 1,224 Optimasi MOGA 686,83 53,517 1,1809 0,608
Dapat  dilihat  bahwa  dari  semua  metode  yang diterapkan  pada  optimasi  ketebalan  struktur chassis bus, metode terbaik adalah metode optimasi Adaptive Single  Objective (ASO) . Dari  tabel  dapat  dilihat penurunan  massa  kendaraan  dari  691,03  kg  menjadi 682,57 kg atau reduksi massa sebesar 8,46 kg.

## 4. Kesimpulan
Hasil analisis pembebanan statis menunjukkan bahwa desain  dengan cross-sectional  Rectangular  Box (Hollow) menunjukan  jauh  lebih  optimal  daripada chassis dengan  spesifikasi  tipe  C  ataupun  I  karena tegangan paling  minimum terjadi pada cross section Rectangular  Box  (Hollow) nilai  tegangan  sebesar 53,655  MPa,  dan total  deformation sebesar  1,1848 mm.  Berdasarkan  optimasi  pada chassis bus  tipe Rectangular  Box  (Hollow) dengan  dua  metode tersebut,  dapat  disimpulkan  hasil  terbaik  adalah menggunakan  metode Adaptive-Single  Objective (ASO) dengan nilai massa optimum sebesar 682,57 kg (persentase penurunan massa sebesar 1,224%) dengan equivalent  (von-misses)  stress sebesar  53,557  MPa dan total deformation sebesar 1,1847 mm. Sedangkan hasil  optimasi  metode Multi-Objective  Genetic Algorithm (MOGA),  massa  hasil  optimasi  didapat sebesar  686,83  kg  dengan equivalent  (von-misses) stress 53,517  MPa  dan total  deformation  sebesar
1,1809  mm.  Terjadi  penurunan  massa  sebesar 0,608%.

## 5. Penghargaan
Kajian  ini  sebagian  didanai  oleh  USAID  dibawah program SHERA  dengan  nomor projek  AID-497-A- 16-00004

## Daftar Pustaka
[1] I. Tikekar and A. Damle, “Weight Reduction of Heavy Duty Truck Chassis Through Material Optimization,” Int. J. Eng. Res. Gen. Sci. , vol. 4, no. 3, pp. 140–146, 2016.
[2] A. Singh, V. Soni, and A. Singh, “Structural Analysis of Ladder Chassis for Higher Strength,” Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. , vol. 4, no. 2, 2014.
[3] H. F. Teo, “Statics and dynamics structural analysis of a 4.5 ton truck chassis,” J. Mek. , no. 24, pp. 56–67, 2007.
[4] C. Karaoǧlu and N. Sefa Kuralay, “Stress
analysis of a truck chassis with riveted joints,” Finite Elem. Anal. Des. , vol. 38, no.
12, pp. 1115–1130, Oct. 2002.
[5] H. Patel, K. C. Panchal, and C. S. Jadav, “Structural Analysis of Truck Chassis Frame and Design Optimization for Weight Reduction,” Int. J. Eng. Adv. Technol. , vol.
2, no. 4, pp. 665–668, 2013.
[6] P. Doke, M. Fard, and R. Jazar, “Vehicle concept modeling: A new technology for structures weight reduction,” Procedia Eng. , vol. 49, pp. 287–293, 2012.
[7] J. Decicco and M. Ross, “Recent advances in automotive technology and the cost- effectiveness of fuel economy improvement,” Transp. Res. Part D Transp. Environ. , vol. 1, no. 2, pp. 79–96, Dec. 1996.
[8] K.-P. Glaeser and M. A. Ritzinger,
“Comparison of the Performance of Heavy Vehicles Results of the OECD Study: ‘Moving Freight with Better Trucks,’”
Procedia - Soc. Behav. Sci. , vol. 48, pp. 106– 120, 2012.
[9] R. Tolouei and H. Titheridge, “Vehicle mass as a determinant of fuel consumption and secondary safety performance,” Transp. Res.
Part D Transp. Environ. , vol. 14, no. 6, pp.
385–399, Aug. 2009.
[10] D. C. Biggs and R. Akcelik, “Estimating effect of vehicle characteristics on fuel consumption,” J. Transp. Eng. , vol. 113, no. 1, pp. 101–106, 1987.
[11] S. . Burgess and J. M. . Choi, “A parametric study of the energy demands of car transportation: a case study of two competing commuter routes in the UK,”
Transp. Res. Part D Transp. Environ. , vol. 8, no. 1, pp. 21–36, Jan. 2003.
[12] V. Soloiu, A. Covington, J. Lewis, M. Duggan, J. Lobue, and M. Jansons,
“Performance of JP-8 unified fuel in a small bore indirect injection diesel engine for APU applications,” SAE Tech. Pap. , 2012.
[13] M. Mammetti, D. Gallegos, A. Freixas, and J. Muñoz, “The influence of rolling resistance on fuel consumption in heavy-duty vehicles,” SAE Tech. Pap. , vol. 2, 2013.
[14] M. Cavazzuti and L. Splendi, “Structural Optimization of Automotive Chassis: Theory, Set Up, Design,” Italy Univ. degli Stud. di Modena e Reggio Emila , 2011.
[15] P. Naik, J. Unde, and B. Darekar, “Structural Analysis and Optimization of Hyperloop Pod,” pp. 2–7, 2018.
[16] Chandan S N, Vinayaka N, and Sandeep G M, “Design, Analysis and Optimization of Race Car Chassis for its Structural Performance,” Int. J. Eng. Res. , vol. V5, no. 07, pp. 361–367, 2016.
[17] K. Dalal and C. M. Choudhari,

## “Optimization of 40 Feet Trailer Chassis
Based on Structural Static Simulation,” Int. J. Mech. Prod. Eng. , no. 5, pp. 2320–2092,
2017.
[18] E. Teipen and M. Paas, “Body Structure & Chassis Optimization,” 2011.
[19] P. Chinta and D. L. V. V. Rao, “A New Design and Analysis of BUS Body Structure,” IOSR J. Mech. Civ. Eng. , vol. 11,
no. 5, pp. 39–47, 2014.
[20] M. S. B. A. Razak, M. H. Bin Hasim, and N. A. Bin Ngatiman, “Design of Electric Vehicle Racing Car Chassis using Topology Optimization Method,” MATEC Web Conf. , vol. 97, no. January, 2017.
[21] H. Singh, “Optimization of Bus Body
Structure Using OptiStruct,” pp. 1–5.