ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど7 

 

Teknik

MESIN

Analisis Statik

Struktur Mesin Pencetak Batu Bata Merah

Berkapasitas 8 Buah per Menit

Dengan Menggunakan Cosmosworks 2004tm

Encu Saefudin dan Tito Shantika

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Nasional

Jl. PKH. Mustapha No. 23, Bandung 40124

encu@itenas.ac.id, tshantika@itenas.ac.id

 

Abstrak

Batu bata merupakan salah satu jenis material yang banyak digunakan dalam pembangunan

infrastruktur di Indonesia. Telah banyak berkembang industri batu bata, mulai dari skala industri

rumah tangga hingga industri besar. Pada skala industri rumah tangga pencetakan batu bata masih

menggunakan cara tradisional. Oleh karena itu dibuatlah mekanisme mesin pencetak batu bata merah,

yang dapat meningkatkan jumlah produksi dengan kualitas yang lebih baik

Dengan bertambah pesatnya perkembangan teknologi terutama di bidang komputasi, maka dalam hal

rekayasa teknik telah banyak menggunakan bantuan komputer. Bentuk perhitungan dan analisis yang

kompleks dapat diselesaikan dengan cepat dan akurat menggunakan bantuan program. Salah satunya

adalah program yang menerapkan metode elemen hingga (finite element method) adalah

COSMOSWorks 2004TM

yang terintegrasi langsung dengan program SolidWorks 2004 dalam

melakukan pemodelan.

Tahap pertama yang dilakukan sebelum proses analisis, adalah membuat pemodelan komponen

dengan menggunakan program SolidWorks 2004. Setelah pemodelan selesai, proses analisis statik

siap dilakukan dengan menggunakan program COSMOSWorks 2004TM. Langkah-langkah dalam

proses ini adalah, meliputi penentuan jenis permasalahan (study define), penentuan jenis material

(material define), pembentukan jaring-jaring elemen dan titik nodal (meshing), penentuan jenis

tumpuan (restraint), pemberian beban (load) dan tahap analisis (analysis). Hasil yang diperoleh dari

proses analisis statik berupa tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan

faktor keamanan (Safety of Factor).

Dari hasil analisis komponen utama mesin pencetak batu bata merah, hampir semua komponen

dikategorikan aman berdasarkan nilai faktor keamanan, yaitu lebih besar dari 1, kecuali komponen

poros input geneva yang memiliki nilai faktor keamanan 0,4 (<1).

Key words : pemodelan, analisis, tegangan, regangan, perpindahan dan faktor keamanan

  

 

 

 

 

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど8 

 

Teknik

MESIN

1. PENDAHULUAN

Di Indonesia telah banyak berkembang industri pembuat batu bata, dalam skala industri rumah tangga

hingga industri besar. Selain karena kebutuhannya yang terus meningkat dan banyak menyerap tenaga

kerja, bahan bakunya yang berupa tanah lempung mudah ditemukan dan teknologi pengolahannya

relatif sederhana.

Di salah satu sentra industri batu bata yang diteliti (daerah Nagrek, Jawa Barat), seluruh proses

pencetakan batu bata merah masih dilakukan secara tradisional dan membutuhkan waktu yang lama.

Oleh karena itu akan dicoba mengganti cara tradisional tersebut dengan suatu mekanisme

menggunakan mesin pencetak batu bata merah. Diharapkan dengan adanya mesin pencetak batu bata

merah ini dapat meningkatkan jumlah produksi batu bata dengan kualitas yang lebih baik.

Dengan bertambah pesatnya perkembangan teknologi dibidang komputer, baik dalam hal perangkat

keras (hardware) maupun perangkat lunaknya (software), maka hampir tidak ada bagian dalam

kehidupan manusia pada jaman sekarang yang tidak dihubungkan dengan teknologi komputer.

Dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi sekarang ini, sangat sering dijumpai permasalahan-

permasalahan teknik yang membutuhkan perhitungan yang cukup banyak dan sangat kompleks untuk

dapat dilakukan oleh manusia. Oleh sebab itu pada saat ini telah banyak digunakan perangkat lunak

untuk memudahkan perhitungan maupun analisis lain yang diperlukan, salah satunya adalah

COSMOSWorks 2004TM

yang merupakan program metode elemen hingga (Finite Element Method).

Hal-hal yang dapat dilakukan oleh program tersebut adalah membuat pemodelan, melakukan analisis

hingga menampilkan visualisasi yang mendekati dengan wujud aslinya.

Dalam penelitian ini bertujuan membuat pemodelan dari hasil perancangan, dengan menggunakan

software SolidWorks 2004 yang terintegrasi langsung dengan COSMOSWorks 2004TM

. Juga

melakukan analisis statik tiap-tiap komponen hasil perancangan dengan metode elemen hingga (Finite

Element Method) menggunakan software COSMOSWorks 2004TM

.

Dalam penelitian ini dibatasi permasalahan pada pembuatan pemodelan, analisis kekuatan struktur

secara statik meliputi analisis tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan

mengetahui besarnya faktor keamanan (Safety of Factor). Seluruh proses diatas menggunakan software

COSMOSWorks 2004TM

.

2.DASAR TEORI

Persamaan tegangan (stress) pada bidang tiga dimensi merupakan persamaan linear homogen dalam

hubungannya dengan l, m, dan n. Satu-satunya pemecahan dapat diperoleh dengan membuat

determinan koefisien l, m, dan n menjadi sama dengan nol, sebaagai berikut :

0=−−−−−−−−−

zyzxz

zyyxy

zxyxx

σστττσστττσσ

(2.1)

Pemecahan determinan terebut menghasilkan persamaan pangkat tiga dalam σ .

0)2(

)()(

222

22223

=+−−+

−+−−+++++−

xzzyzyxyxxzyzxyzyx

xzyzxyzxzyyxzyx

τστστστττσσσ

στττσσσσσσσσσσσ (2.2)

Ketiga akar persamaan merupakan ketiga tegangan utama 1σ , 2σ , dan 3σ .

Regangan (strain) didefinisikan secara umum sebagai perbandingan perubahan panjang terhadap

panjang awal, yaitu :

o

o

oo L

LL

L

L

L

−=

Δ==

δε (2.3)

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど9 

 

Teknik

MESIN

dimanaε adalah regangan linear rata-rata dan δ adalah deformasi

Perpindahan (Displacement) di setiap titik pada sumbu x, y, z benda tiga dimensi dapat dinyatakan

dalam bentuk vektor (u, v, w), dapat ditulis dengan :

{ } { }drTda e= (2.4)

dimana {da} adalah vektor dengan komponen (du, dv, dw) dan {dr} adalah vektor dengan komponen

(dx, dy, dz), dan Tc didefinisikan sebagai :

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

z

w

y

w

x

w

z

v

y

v

x

v

z

u

y

u

x

u

Te (2.5)

Menurut teori Kriteria Tegangan Von Mises Maksimum, tegangan utama (jx, jy, jz) dapat dinyatakan

dengan :

( ) ( ) ( )2

222

zxzyyx

MisesVon

σσσσσσσ

−+−+−= (2.6)

jVM ≥ jijin

Sehingga faktor keamanan (Safety of Factor) dapat dihitung :

MisesVon

ijinFOS

σσ

= (2.7)

Metode Elemen Hingga (Finite Element Method)

Bila dua elemen digabungkan menjadi satu konstruksi, dapat digunakan prinsip superposisi untuk

menentukan kekakuan struktur dua elemen tadi. Gaya yang bekerja adalah :

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

3

2

1

3332

23222221

1211

3

2

1

0

0

u

u

u

kk

kkkk

kk

P

P

P

(2.8)

Elemen tersebut kemudian dirakit membentuk matriks kekakuan [K] untuk seluruh konstruksi.

{ } [ ]{ }uKP = (2.9)

Pergeseran (u) tidak diketahui dan diselesaikan dengan persamaan (2.9) untuk menghitung pergeseran

semua nodal. Bila pergeseran ini dikalikan dengan matriks koordinat posisi nodal [B] dan matriks

konstanta elastik [D], maka diketahui tegangan pada setiap titik nodal.

{ } [ ][ ]{ }uBD=σ (2.10)

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど10 

 

Teknik

MESIN

3.PEMODELAN

Struktur analisis program COSMOSWORKS 2004TM , meliputi :

1. Penentuan Jenis Study

Sebelum proses analisis dilakukan, harus menentukan nama permasalahan (study), jenis analisis yang

dibutuhkan (analysis type) serta tipe mesh (mesh type). Jenis analisis yang dibutuhkan antara lain static,

frequency, buckling, thermal dan optimization, dalam hal ini dipilih jenis static karena seluruh

komponen diasumsikan dalam keadaan statis. Tipe mesh yang tersedia ada tiga jenis, yaitu solid mesh,

shell mesh using mid-surfaces dan shell mesh using surfaces. Karena pemodelan yang dibuat dalam

bentuk tiga dimensi, maka solid mesh merupakan tipe meshing yang dianjurkan.

2. Penentuan Jenis Material

Jenis material yang digunakan adalah jenis material dari pemodelan yang akan dianalisis. Pada program

COSMOSWorks, dapat dipilih jenis material yang telah tersedia dengan cara memilih list from library

atau memasukkan data dari material yang diinginkan melalui pilihan custom defined. Satuan yang

dapat digunakan adalah satuan SI, English (IPS) dan Metric (MKS).

3. Pembentukan Jaring-Jaring Elemen dan Titik Nodal ( Meshing )

Proses ini dilakukan secara otomatis oleh komputer. Sebelum melakukan meshing, dilakukan

penentuan kualitas dengan cara menentukan bentuk elemennya, karena bentuk elemen akan

menentukan jumlah nodalnya. Bentuk elemen yang digunakan oleh progam COSMOSWorks ada dua,

yaitu elemen linear tetrahedral yang umum digunakan pada analisis statik dan elemen parabolic

tetrahedral.

Untuk mengatur kualitas mesh, dapat dilakukan dengan mengatur slide bar yang menunjukkan hasil

meshing yang kasar (coarse) atau halus (fine). Ukuran elemen yang kecil akan menghasilkan kualitas

mesh yang tinggi, dan akan membuat analisis lebih akurat.

Setelah melakukan proses meshing, titik nodal dengan sendirinya akan terbentuk dan titik koordinat

setiap nodal pun dapat diketahui. Koordinat yang digunakan merupakan rectangular (X,Y,Z) pada titik

nol (0,0,0) atau titik origin.

4. Penentuan Jenis Tumpuan ( Restraint )

Setelah proses meshing selesai dilakukan, langkah selanjutnya adalah memberikan tumpuan (restraint)

pada pemodelan sesuai dengan Diagram Benda Bebas (DBB) dari perancangan. Jenis tumpuan

(restraint) yang ada pada COSMOSWorks adalah fixed, immovable (non translation), reference plane

or axis, on flat face, on cylindrical face, dan on spherical face.

Tumpuan tersebut dapat diterapkan pada permukaan bidang ( face ) dan rusuk atau garis pada bidang

(edge). Posisi penerapan tumpuan tersebut akan terlihat pada icon selected reference.

5. Pemberian Beban ( Load )

Setelah pemberian tumpuan (restraint) dilakukan maka langkah selanjutnya adalah pemberian beban

(load). Jenis, besar dan arah beban dapat diterapkan pada pemodelan sesuai dengan DBB dari hasil

perancangan. Tipe beban (type load) pada COSMOSWorks adalah apply force / moment, apply normal

force dan apply torque

6. Tahap Analisis

Untuk melakukan proses analisis statik diperlukan masukan (input) berupa model yang telah dilakukan

proses diskritisasi (meshing), identifikasi sambungan (contact), sifat-sifat mekanik material (material

properties), tumpuan (constrain) dan beban (load). Kemudian analisis statik akan menghasilkan

keluaran (output) berupa tegangan (stress), regangan (strain), perpindahan (displacement) dan faktor

keamanan (factor of safety)

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど11 

 

Teknik

MESIN

4.CONTOH PEMODELAN

Dalam makalah ini akan disajikan contoh pemodelan dari satu komponen utama mesin pencetak batu

bata merah yaitu poros utama. Komponen tersebut dimodelkan sebagai poros pejal yang dimensinya

bervariasi mulai dari diameter 32mm, 35mm dan 41mm dengan panjang total 955mm, seperti yang

ditunjukkan pada gambar 4.2.

                                       

                                                           

 

             

   

 

 

 

 

1. Penentuan Jenis Permasalahan ( Study )

Sebelum proses analisis dilakukan terlebih dahulu menentukan nama permasalahan (study name), jenis

analisis yang dibutuhkan (analysis type) serta tipe mesh (mesh type).

2. Penentuan Jenis Material

Dari hasil perancangan, jenis material poros utama adalah ST-60.

3. Pembentukan Meshing

Dari hasil meshing didapatkan bahwa terdapat 16478 nodal dan 10233 elemen, dengan ukuran elemen

10,5319 mm dan toleransi antar elemen 0,526597 mm.

Gambar 4.3 dibawah ini merupakan pemodelan poros utama setelah dilakukan proses

meshing.

 

 

x

Fz

y 

z A

B

DE

FPz 

FrB 

RDz

FPy 

FtB 

RDy

F

T

TC 

T

RBz 

RBy 

Keterangan :

A, E berturut-turut

adalah puli 1 dan puli 2.

B, D bertutrut-turut

adalah bantalan 1 dan bantalan 2 

Gambar 4.1 Diagram Benda Bebas Poros 

Gambar 4.2 Model Poros Utama   Gambar 4.3 Poros Utama Setelah Proses

Meshing

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど12 

 

Teknik

MESIN

4. Pemberian Tumpuan ( restraint )

Pemberian tumpuan pada poros utama ini terdapat pada dua lokasi yaitu masing-masing pada bantalan

dengan asumsi sebagai tumpuan immovable ( non translation), pada gambar 4.4.

5. Penerapan Beban (load)

Gaya-gaya yang terjadi pada poros utama terdapat pada alur pasak puli, roda gigi kerucut dan alur

pasak puli engkol. Pada alur pasak puli terdapat gaya FPy = 54,86 kg dan FPz = 960 kg. Sedangkan pada

roda gigi kerucut terdapat gaya FTB = 290,53 kg dalam arah tangensial dan FRB = 74,77 kg dalam arah

radial. Pada alur pasak puli engkol terdapat gaya FEy = 78,8 kg dan FEz = 73,8 kg. Torsi yang terjadi

pada poros utama TA = 2951,8 kg.cm pada alur pasak puli searah jarum jam (CW), TC = 1475,9 kg.cm

pada alur pasak roda gigi kerucut berlawanan arah jarum jam (CCW) dan TE = 1475,9 kg.cm pada alur

pasak puli engkol berlawanan arah jarum jam ( CCW ). Pemodelan poros utama yang telah diberi

pembebanan dapat dilihat pada gambar 4.5.

 

 

5.ANALISIS STATIK

Hasil dari analisis statik meliputi tegangan, regangan, perpindahan dan faktor keamanan dari suatu

struktur. Dalam makalah ini akan disajikan contoh hasil analisis statik dari satu komponen utama mesin

pencetak batu bata merah yaitu poros utama, sebagai berikut :

• Tegangan ( stress )

Tegangan maksimum yang terjadi sebesar 1483,6 kg/cm2 terdapat pada nodal 16271, yaitu pada alur

pasak puli. Hal ini terjadi karena pada alur pasak puli terjadi pembebanan yang paling besar dari puli

penggerak. Tegangan minimum terjadi pada bagian poros yang tidak menerima beban, yaitu pada

nodal 5396 sebesar 0,59 kg/cm2, karena pada bagian tersebut tidak menerima pembebanan. Lokasi

titik koordinat dapat dilihat pada tabel 5.1.

Tabel 5.1 Titik Koordinat Tegangan Maksimum dan Minimum Poros Utama

 

 

Gambar 4.4 Poros Utama Setelah Diberi

Tumpuan

Gambar 4.5 Poros Utama Setelah Diberi

Beban

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど13 

 

Teknik

MESIN

• Regangan ( strain ) 

 

   

Regangan maksimum yang terjadi sebesar 4,91.10-4 terdapat pada elemen 3612, yaitu pada alur pasak

puli. Hal ini terjadi karena pada alur pasak puli terjadi tegangan yang paling besar. Sedangkan regangan

minimum terjadi pada bagian dudukan bantalan sebelah kanan ( bearing 2 ), yaitu pada elemen 2760

sebesar 3,504.10-7, karena tegangan yang terjadi pada bantalan lebih kecil. Hal ini terjadi karena

hubungan antara tegangan dan regangan adalah berbanding lurus. Lokasi titik koordinat dapat dilihat

pada tabel 5.2.

Tabel 5.2 Titik Koordinat Regangan Maksimum dan Minimum Poros Utama 

 

• Perpindahan ( displacement )

Perpindahan atau defleksi maksimum yang terjadi sebesar 0,1769 mm terdapat pada nodal 13295, yaitu

pada bagian poros di dekat alur pasak roda gigi kerucut, karena pada bagian tersebut menerima

pembebanan paling besar dari roda gigi kerucut. Sedangkan perpindahan minimum terjadi pada

dudukan bantalan sebelah kiri ( bearing 1 ), yaitu pada nodal 58 sebesar 0 mm, karena defleksi yang

terjadi pada tumpuan sangat kecil Lokasi titik koordinat dapat dilihat pada tabel 5.3.

Tabel 5.3 Titik Koordinat Perpindahan Maksimum dan Minimum Poros Utama

 

 

 

Gambar 5.1 Tegangan yang Terjadi pada Poros Utama 

Gambar 5.2 Regangan yang Terjadi pada Poros Utama 

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど14 

 

Teknik

MESIN

• Faktor Keamanan ( Safety of Factor )

   

  Faktor keamanan maksimum yang terjadi sebesar 100 terdapat pada bagian yang berwarna biru.

Sedangkan faktor keamanan minimum terdapat pada bagian yang berwarna merah sebesar 2,8 yang

artinya bila beban-beban yang diberikan kepada komponen tersebut ditambahkan dengan beban sebesar

2,8 kali dari beban yang sekarang, maka komponen tersebut akan mencapai kekuatan luluhnya (yield

stress). Hal ini terjadi karena pada daerah yang berwarna merah terdapat tegangan yang tinggi sehingga

faktor keamanannya kecil, sedangkan pada bagian yang berwarna biru tegangan yang terjadi kecil

sehingga memiliki faktor keamanan yang besar. Faktor keamanan disini berdasarkan kriteria tegangan

Von-Mises Maksimum, yaitu :

1>vonmises

yield

σσ

; 8,2/1483

/42112

2

=cmkg

cmkg

dimana :

yieldσ = 4211 kg/cm2

vonmisesσ = 1483 kg/cm2

Setelah melakukan analisis statik terhadap beberapa komponen utama mesin pencetak batu bata merah,

maka diperoleh harga-harga dari hasil analisis tersebut seperti ditunjukkan pada tabel 5.4.

Gambar 5.4 Faktor Keamanan pada Poros

Utama

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VIII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri

Kampus ITENAS - Bandung, 24-25 November 2009

TPPPど15 

 

Teknik

MESIN

Tabel 5.4 Hasil Analisis Statik Komponen Utama

No Komponen

Tegangan (kg/cm2) Regangan

Perpindahan

(mm) Safety Factor

Maks Min Maks Min Maks Min Maks Min

1 Poros utama 1483,6 0,59 4,91.10-4 3,504.10-7 0,1769 0 100 2,8

2 Poros input

geneva 7231,9 0,0067 1,652.10-3 1,465.10-8 0,0488 0 100 0,4

3 Poros output

geneva 3609 1,96 9,956.10-4 1,379.10-6 0,1804 0 100 1,2

4 Geneva

penggerak 1280,42 0,09 4,68.10-4 6,86.10-8 0,083 0 100 3,4

5 Geneva yang

digerakkan 748,23 3,49.10-7 7,469.10-5 1,489.10-13 0,008425 0 100 4,4

 

6.KESIMPULAN

Setelah melakukan pemodelan dan analisis statik terhadap mesin pencetak batu bata merah, maka dapat

disimpulkan beberapa hal, yaitu :

1. Hasil dari analisis statik struktur meliputi tegangan (stresss), regangan (strain),

perpindahan (displacement) dan faktor keamanan (safety of factor).

2. Tegangan terbesar dialami oleh poros input geneva sebesar 7231,9 kg/cm2, dan tegangan

terkecil dialami oleh geneva yang digerakkan sebesar 3,49.10-7 kg/cm2.

3. Regangan terbesar dialami oleh poros input geneva sebesar 1,652.10-3, dan yang terkecil

dialami oleh geneva yang digerakkan sebesar 1,4896.10-13.

4. Perpindahan atau defleksi terbesar dialami oleh Poros output geneva sebesar 0,1804 mm.

5. Faktor keamanan minimum terbesar dialami oleh geneva yang digerakkan sebesar 4,4,

dan yang terkecil dialami oleh poros input geneva sebesar 0,4.

6. Hampir seluruh komponen mengalami tegangan Von-Mises dibawah tegangan yield dari

material, sehingga memiliki nilai faktor keamanan >1 (aman), kecuali komponen poros

input geneva dengan nilai faktor keamanan <1 (tidak aman).

7. DAFTAR PUSTAKA

[1] Popov, E . P. 1978. Mechanics of Material. New Jersey : Prentice Hall.

[2] Mitchell, Shigley. 1983. Mechanical Engineering Design. Michigan : McGraw-Hill.

[3] Callister, William. D. 1997. Materials Science and Engineering An Introduction. New York :

John Wiley & Sons.

[4] Dieter, George. E. 1969. Mchanical of Metalurgy. New Jersey : Prentice Hall.

[5]Cook, Robert D. 1990. Konsep dan Aplikasi Metode Elemen Hingga. Alih bahasa oleh Bambang

Suryoatmono. Bandung : Eresco.

[6] Krishnamoorthy, C. S. 2001. Finite Element Analysis Theory and Programing Second Edition.

Madras : Indian Institute of Technology.

[7] Wiratmaja IGN dan Djoeli Satrijo. 1998. Metode Elemen Hingga. Bandung : Institut Teknologi

Bandung.

[8] CosmosWorks Software. CosmosWorks Library.