Abstrak — Departemen  Teknik  Mesin  ITS  dipercayai  oleh KEMENRISTEK untuk mengembangkan mobil pick-up multiguna  pedesaan  dan  saat  ini  sudah  sampai  tahap finishing prototype yang  kedua.  Mobil  ini  memiliki  empat  fungsi  dimana dua  diantaranya  menggunakan  bagian box. Bagian  ini  hingga rancangan prototype mobil yang kedua  belum  dilakukan  analisis kekuatan  terhadap  massanya.  Kondisi  tersebut  menjadi  latar belakang  dilakukan  analisis  pada  penelitian  ini.  Penelitian  ini menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan  perangkat lunak  berbasis  Metode  Elemen  Hingga  (MEH). Pembebanan yang  dilakukan  adalah  beban  akibat  gaya  angin,  inersia sentrifugal  maupun  muatan. Hasil yang  didapatkan  adalah  baik desain box pertama  dan  kedua  ketika  diberikan  muatan  penuh 2000  kg  memiliki  tegangan von  misses yang  melebihi  tegangan yield material.  Tegangan von  misses terbesar  terjadi  saat  mobil dikendarai berbelok, yaitu sebesar 348,69 Mpa dengan deformasi maksimum 8,357 mm dan safety factor 0,63. Berdasarkan analisis ini  dilakukan re-design dengan  mengganti  material  pada beberapa  bagian box dan  modifikasi  geometri  kerangka box. Hasil yang didapatkan menjadi lebih aman dengan tegangan von misses sebesar 108,01 Mpa, deformasi maksimum 1,0892 mm dan safety factor 2,04.
Kata  Kunci — Deformasi  maksimum,  metode  elemen  hingga, pembebanan, struktur box mobil, tegangan von misses .

## I. PENDAHULUAN
emenjak  tahun  2011  Departemen  Teknik  Mesin  ITS dipercayai  oleh  KEMENRISTEK  untuk  mengembangkan mobil pick-up multiguna  pedesaan  guna  membantu masyarakat pedesaan khususnya dalam mengangkut penumpang,  mengangkut  hasil  panen  atau  barang,  kegiatan niaga,  dan  untuk  mesin  penggiling  padi  serta  mesin  pemarut kelapa.  Pada  tahun  2013,  proses  pengembangan  pertama prototype mobil  tersebut  dilakukan  oleh  pihak  Departemen Teknik  Mesin  ITS  yang  bekerja  sama  dengan  perusahaan  PT INKA dan PT Karya Tugas Anda [1].
Desain prototype box yang pertama menggunakan material mild  steel. Massa  total box  body sebesar  700  kg.  Massa tersebut menjadi bahan evaluasi karena mesin yang digunakan pada mobil tidak besar, 650 cc, sehingga  untuk  menunjukkan performa kerja yang baik dibutuhkan beban body yang ringan baik  pada body mobil  maupun body  box. Hal  inilah  yang menjadi  alasan  dilakukan  pengembangan  desain  yang  kedua pada  tahun  2017  terhadap prototype  box. Hal  ini  bertujuan untuk menurunkan massa box. Konsep baru yang dikembangkan  untuk  mengurangi  massa box adalah  dengan cara mengganti material box.
Desain box  body yang  kedua  menggunakan  material komposit fiber glass . Meski  hanya bagian lapisan terluar saja yang  diganti  menggunakan  komposit fiber  glass sedangkan bagian  kerangka  tetap  sama,  yaitu  ASTM  A36 Steel dan bagian  lapisan  dalam  tetap  dengan mild  steel. Berdasarkan hasil  rancangan prototype  box kedua  yang  dilakukan  oleh  PT Karya  Tugas  terjadi  perubahan  positif  dari  segi  massa box body beserta kerangka box, yaitu massa total menjadi 415 kg. Penurunan massa yang terjadi cukup besar sekitar 59%.
Kedua  rancangan box  body yang  digunakan  untuk  mobil pedesaan  hingga  saat  ini  belum  memiliki  analisis  yang menghasilkan  rasio  kekuatan  terhadap  massa box tersebut. Sehingga  belum  dapat  dipastikan  seberapa  besar  pengaruh perubahan massa material box terhadap kekuatannya terutama pada kondisi pembebanan dinamis.
Oleh karena itu, diperlukan adanya analisis pengaruh rasio kekuatan  terhadap  massa box yang  lama  dan  baru  untuk didapatkan  perbandingan  sifat  kekuatan  antara  kedua  desain. Analisis  yang  akan  dilakukan  berdasarkan  pembebanan dinamis  dengan  pendekatan  statis  pada  simulasi.  Permodelan sistem menggunakan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga  (MEH)  dengan  beberapa  metode  pembebanan  yang mewakili  kondisi  nyata.  Hal  ini  guna  menjadi  bahan pertimbangan  dalam  pengembangan prototype  box yang selanjutnya agar menjadi lebih optimum, baik dari segi massa maupun kekuatan.

## II. METODE PENELITIAN

## A. Prosedur Penelitian
Tahapan dalam prosedur pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Mengumpulan data spesifikasi mobil multiguna,
2. Menghitung  besar  pembebanan  sebagai  parameter input,
3. Merancang  3D modelling pada  perangkat  lunak berbasis  CAD  dimana box terdiri  dari 3  bagian  utama, yaitu bagian dalam, kerangka dan bagian luar,
4. Simulasi analisis menggunakan perangkat lunak MEH,
5. Melakukan tes konvergensi,
6. Melakukan  verifikasi  dengan  perhitungan  gaya  reaksi secara manual,
7. Membandingkan hasil analisis box pertama dan kedua,
8. Melakukan re-design dan analisis pada box ketiga.

## Analisis Kekuatan dan
Re - design Box Body
Mobil Pick - up Multiguna Pedesaan akibat Gaya Angin, Inersia, dan Sentrifugal
Maulika G. Jaisyah dan Julendra B. Ariatedja Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) e-mail : ariatedja@me.its.ac.id
S

## B. Perhitungan Beban pada Tahap Prosedur secara Detail
Perhitungan  beban  yang  dilakukan  berdasarkan  analisis yang  telah  dilakukan  oleh  beberapa  peneliti  [2]  dan  [3] mengenai static  structural menggunakan finite  element method. Berikut  ini  adalah  beberapa  persamaan  yang digunakan :
1. Beban akibat gaya drag (D A ) [4]
D A = ½ . ρ .V wk 2 . C D . A ....................................... (1)
2. Beban akibat muatan (W) [3] W = Σ m . g. k ................................................... (2) 3. Beban akibat gaya inersia (F i ) [3] F i = Σ m . a. k ................................................... (3)
4. Beban akibat gaya sentrifugal (lateral) ( 𝐹 𝑙𝑎𝑡 ) [3] 𝐹 𝑙𝑎𝑡 = 𝛴𝑚.𝑣2 𝑅 . 𝑘 .................................................... (4)
Keterangan :
ρ = Massa jenis udara    = 1,217 kg/m 3 [4] V wk 2 = Kecepatan relatif box terhadap angin = 22,17 m/s C D = Koefisien drag = 0,5957 [5] A = Frontal area box    = 2,385 m 2 Σ m     = Massa box dengan muatan, 2700 kg ( box pertama) dan 2415 kg ( box kedua)
g     = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) k         = Faktor beban dinamis v     = Kecepatan mobil saat berbelok   = 6,7 m/s [6] R    = Radius belok       = 14,33 m [6]
Besarnya  nilai  k  berbeda-beda  di  setiap  perhitungan bergantung  pada  jenis  pembebanan  yang  dilakukan.  Pada perhitungan muatan besarnya nilai k = 3. Pada gaya inersia, k = 0,75. Pada gaya sentrifugal, k = 1,4 [3].

## C. Hipotesis Penelitian
Hipotesis  dilakukan  guna  mengefisiensikan  waktu  dengan tetap  mendapatkan  hasil  analisis  yang  diinginkan.  Terdapat  2 hipotesis pada penelitian ini, yaitu :
1. Efisiensi  waktu  dilakukan  dengan  cara  analisis  hanya pada  saat  pengereman  dan  berbelok  saja  dengan mempertimbangkan  besarnya  gaya  inersia  pengereman dan  gaya  sentrifugal  akibat  belok  yang  dihasilkan  dari perhitungan beban.
2. Pada  tahap re-design bagian  dari box yang  akan dilakukan  modifikasi  adalah  kerangka  dan  bagian
dalam box untuk mengurangi massa total box.
D. Prosedur Detail dalam Analisis Simulasi
Tahapan dalam prosedur analisis pada software MEH secara detail adalah sebagai berikut :
1. Memasukkan material  properties pada engineering data tool,
2. Memasukkan  geometri  3D modelling ke  dalam perangkat lunak MEH,
3. Melakukan meshing pada setiap bagian box menggunakan jenis solid meshing 186 dan 187,
4. Memasukkan pembebanan dan kondisi batas,
5. Mengatur parameter solusi berupa tegangan von misses dan deformasi total,
6. Melakukan running simulasi dan mendapatkan hasil.
Keterangan :
D A = Gaya drag (angin) q     = Muatan Ry A = Gaya reaksi di titik A Ry B = Gaya reaksi di titik B W    = Berat box
Gambar 1.  Rancangan 3D modelling pada software CAD
Tabel 1. Nilai pembebanan yang digunakan sebagai input No. Beban Besarnya (N) 1 Muatan 58860 2 Drag 424,91 3 Inersia pengereman box pertama 3898,125 4 Inersia pengereman box kedua 3486,656 5 Sentrifugal box pertama 11841,186 6 Sentrifugal box kedua 10591,283
Gambar  2. Free  Body  Diagram  box tampak  samping  secara  2D  saat mengalami pengereman
Keterangan : a s = Percepatam sentripetal F lateral = Gaya lateral

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Hasil Analisis Pengereman Box Pertama
Gambar 4.(a) merupakan gambaran hasil analisis mengenai bagian box yang  mengalami tegangan von misses maksimum. Hasil  dari  analisis  menunjukkan  bahwa  besar  tegangan von misses sebesar 308,76 Mpa. Tegangan tersebut berada di alas bawah box bagian  dalam  dimana  bagian  tersebut  adalah bagian  yang  berdekatan  dengan  sisi  kerangka  dibawahnya. Kontak  yang  terjadi  antara  kedua  bagian  menimbulkan tegangan  sebagai  reaksi  dari  muatan  di  atas  dan  adanya penahan berupa kerangka di bagian bawah. Besarnya tegangan di area  tersebut  menjadi  maksimum disebabkan  karena beban muatan penuh yang sangat besar mencapai 58860 N, sehingga tegangan terfokus pada area tersebut.
Pada  gambar  5.(a)  menunjukkan  besar  deformasi maksimum  yang  terjadi  pada  saat  dilakukan  pembebanan pengereman.  Deformasi  maksimal  terjadi  sebesar  7,9386  mm pada  alas  bawah box bagian  dalam  dimana  bagian  tersebut adalah bagian  yang tidak  mengalami kontak langsung dengan kerangka  dibawahnya  bahkan  cenderung  berada  paling  jauh dari  kerangka.  Akibat  tidak  adanya  kerangka  yang  menahan bagian tersebut dan beban muatan yang diberikan sangat besar mengakibatkan  terjadi  deformasi  yang  cukup  besar.  Pada gambar  diatas  tergambar  dengan  jelas  cekungan  akibat deformasi  dengan  perbesaran  skala  22  kali  ( auto  scale )  lebih besar  dari  kondisi  sebenarnya  oleh  MEH.  Semua  cekungan akibat  deformasi  yang  terjadi  berada  pada  bagian  yang  tidak ditahan oleh kerangka. Besarnya safety factor adalah 0,633.
(a)
(b)
Gambar. 4.  (a) Lokasi tegangan von misses maksimum hasil tes konvergensi pada box  body utuh  pertama  ketika mengalami  pengereman  dengan  muatan penuh, (b)Tampilan detail tegangan von misses maksimum.
Gambar 3. Free Body Diagram box saat mengalami belok tampak depan
(a) (b)
Gambar. 5.  (a) Lokasi deformasi maksimum hasil tes konvergensi pada box body utuh  pertama  ketika mengalami  pengereman  dengan  muatan  penuh, (b)Tampilan detail deformasi maksimum.

## B. Hasil Analisis Belok Box Pertama
Pada gambar 6.(a)  menunjukkan hasil tegangan von misses sebesar  310,09  Mpa.  Tegangan  tersebut  berada  di part yang sama  saat  mengalami  kondisi pengereman, di alas bawah box bagian  dalam.  Beban  akibat  muatan  masih  menjadi  penyebab terjadinya tegangan von misses maksimum, sehingga pengaruh gaya sentrifugal tidak mendominasi.
Gambar  6.(b)  dengan  skala  22  kali  menunjukkan  besar deformasi  maksimum  yang  terjadi  pada  saat  dilakukan pembebanan pengereman. Deformasi maksimal terjadi sebesar 7,9959 mm pada alas bawah box bagian dalam dimana bagian tersebut adalah bagian yang tidak mengalami kontak langsung dengan  kerangka  dibawahnya.  Hal  ini  sama  seperti  saat pengereman. Besarnya safety factor adalah 0,71.

## C. Hasil Analisis Pengereman Box Kedua
Pada gambar 7.(a)  menunjukkan hasil tegangan von misses sebesar  348,19  Mpa.  Tegangan  tersebut  berada  di part yang sama  saat  mengalami  kondisi  pengereman  di box pertama. Gambar  7.(b)  dengan  skala  22  kali  menunjukkan  besar deformasi maksimum sebesar 8,0263 mm pada bagian seperti box pertama. Besarnya safety factor adalah 0,635.

## D. Hasil Analisis Belok Box Kedua
Pada gambar 8.(a)  menunjukkan hasil tegangan von misses sebesar  348,69  Mpa.  Tegangan  tersebut  berada  di part yang sama  saat  mengalami  kondisi  belok  di box pertama.  Gambar 8.(b)  dengan  skala  22  kali  menunjukkan  besar  deformasi maksimum  sebesar  8,0357  mm  pada  bagian  dalam  seperti pada box pertama. Besarnya safety factor adalah 0,633.
(a)
(b)
Gambar. 7.  (a) Lokasi deformasi maksimum hasil tes konvergensi pada box body utuh  kedua  ketika mengalami  pengereman  dengan  muatan  penuh, (b)Tampilan deformasi maksimum.
(a) (b)
Gambar. 6.  (a) Lokasi deformasi maksimum hasil tes konvergensi pada box body utuh  pertama  ketika mengalami  pengereman  dengan  muatan  penuh, (b)Tampilan detail deformasi maksimum.
(a)
(b)
Gambar. 8.  (a) Lokasi deformasi maksimum hasil tes konvergensi pada box body utuh kedua ketika mengalami belok dengan muatan penuh, (b)Tampilan deformasi maksimum.

## E. Model Re-design Box Ketiga
Berdasarkan hipotesis yang dilakukan sebelumnya, bagian kerangka  merupakan  salah  satu  bagian  dari  box  yang  akan dilakukan  re-design.  Perubahan  geometri  pada  bagian kerangka atas dilakukan  guna  mendapatkan  massa  yang lebih ringan dan lebih kuat. Perubahan terlihat pada gambar 9.
(a) (b)
Gambar.  9.    (a)  Model  kerangka  pada box pertama  dan  kedua,  (b)Model re- design kerangka pada box ketiga. . Bagian  kedua  yang  dilakukan re-design adalah  bagian dalam box. Pada bagian sisi pada bagian box dalam dilakukan penggantian material dari mild steel menjadi fiber glass. Pada bagian  alas  dari box dalam  dilakukan  perubahan  dimensi ketebalan  dari  2  mm  menjadi  4  mm  dengan  material  tetap sama seperti sebelumnya, yaitu mild steel. Hasil dari re-design keseluruhan box dilihat  saat modelling berhasil  menurunkan massa box menjadi 359 kg.
F. Hasil Analisis Re-design Box Ketiga
Hasil  analisis  yang  telah  dilakukan  pada box pertama  dan kedua  mendapatkan  hasil  yang  masih  tidak  aman  jika
dihadapkan  dengan  kondisi  muatan  penuh  saat  berbelok  dan pengereman.  Oleh  karena  itu  dilakukan re-design  box ketiga dengan  mengacu  pada  kondisi  yang  memiliki  tegangan von misses terbesar,  yaitu  saat  mobil  kedua  mengalami  kondisi belok.
Gambar  10.(a)  menunjukkan  bagian box yang  mengalami tegangan von misses maksimum. Tegangan tersebut berada di alas  bawah  dan  alas  atas box bagian  dalam,  namun  hanya  di salah  satu  ujung  sisi  dari  alas  saja,  yaitu  sebelah  kanan box. Bagian  tersebut  yang  berada  di  sebelah  kanan  karena box berbelok  ke  arah  kanan.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa besar  tegangan von  misses sebesar  108,01  Mpa.  Besarnya tegangan  diarea  tersebut  menjadi  maksimum  disebabkan karenan  beban  muatan  penuh  yang  besar  sehingga  tegangan terfokus  pada  area  tersebut.  Hal  ini  sama  seperti  pada box pertama  dan  kedua,  namun  hasil  ini  tidak  sebesar  hasil  pada box pertama dan kedua. Besarnya safety factor adalah 2,04.
Gambar  11.(a)  menunjukkan  besar  deformasi  maksimum yang  terjadi  pada  saat  dilakukan  pembebanan  pengereman. Deformasi  maksimum  terjadi  sebesar  1,0892  mm  pada  alas bawah box bagian  dalam  dimana  bagian  tersebut  adalah bagian  yang  tidak  mengalami  kontak  langsung  dengan kerangka  dibawahnya.  Hal  ini  sesuai  dengan  besarnya  beban muatan  penuh  yang  dibebankan  pada  area  tersebut.  Nilai deformasi  yang  terjadi  hanya  1,0892  mm  tetapi  pada  gambar 11.(b)  tampak  cekungan  yang  besar  dikarenakan  adanya penggunaan  skala  deformasi  sebesar  160  kali  dari  kondisi sesungguhnya.
(a)
(b)
Gambar.  10.    (a)  Lokasi  tegangan von  misses maksimum  hasil  tes konvergensi  pada box  body utuh  hasil re-design ketika mengalami  belok dengan muatan penuh, (b)Tampilan tegangan von misses maksimum.

## IV. KESIMPULAN DAN SARAN
Fungsi  analisis  kekuatan  dengan  metode  elemen  hingga adalah untuk mengetahui sebesar kekuatan suatu desain dalam menghadapi  kondisi  pembebanan  tertentu.  Berdasarkan analisis  pada  penelitian  ini  diketahui  bahwa  perubahan geometri  dan  penggantian  material  dapat  menghasilkan  hasil yang lebih baik dari desain sebelumnya.
Hasil  dari  penelitian  ini  masih  perlu  untuk  dilakukan penelitian lebih lanjut terutama untuk kegiatan meshing karena dapat  mempengaruhi  keakuratan  hasil  akhir.  Perubahan  jenis meshing dari solid menjadi shell akan  lebih  efisien. Penggunaan  jenis  elemen meshing  hexagonal dengan persentase  yang  mendominasi  akan  mendaptkan  hasil  yang lebih akurat dan baik. Verifikasi juga dapat dilakukan dengan membandingkan  hasil  akhir  dengan  perangkat  lunak  lainnya yang sejenis agar didapatkan perbandingan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] F.  Adhim, “ Analisis  Struktural  Performa  Chassis  Sapuangin  Speed 2013, ” Surabaya, 2014. [2] M.  Ahmad, “ Pengembangan  Penyangga  Box  Mobil  Pick-up
Multiguna Pedesaan, ” Surabaya, 2014. [3]
A. Wiratama, “ Analisa Kekuatan Chassis Bus Listrik menggunakan Simulasi Berbasis Metode Elemen Hingga, ” Surabaya, 2015.
[4]
T.  Gillespie, “ Fundamental  of  Vehicle  Dynamics, ” United Kingdom, 1992. [5]
D.  Radyantho, “ Pengembangan  Body  Dan  Cabin  Mobil  Pick  Up Multiguna Pedesaan, ” Surabaya, 2014.
[6] NACTO, “Urban Street Design Guide : National of Association of City  Transportation  Officials, ” 2012.  [Online].  Available: https://nacto.org/publication/urban-street-design-guide/intersection- design-elements/corner-radii/.
(a) (b)
Gambar. 11.  (a) Lokasi deformasi hasil tes konvergensi pada box body utuh hasil re-design ketika mengalami belok  dengan  muatan  penuh,  (b)Tampilan deformasi maksimum.