TUGAS BESAR KOMPUTASI TEKNIKSTRESS ANALYSIS DAN DISPLACEMENT PADA PROTECTED FLANGE COUPLING DAN SHAFTNYA

Nama: Anyes Ardin BagaswaraNPM: 1206217263Jurusan: Teknik Mesin

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA2014AbstrakMakalah Tugas Besar Komputasi Teknik dengan judul Stress Analysis dan Displacement pada Protected Flange Coupling dan Shaftnya berisikan tentang analisis kekuatan dari sebuah kopling flens yang terbuat dari cast steel dengan shaft yang terbuat dari steel. Kopling tersebut dikenakan gaya momen dan akan dianalisis hasilnya. Jika kopling masih kuat maka tidak perlu diganti materialnya. Pada shaft juga dikenakan gaya momen dan akan dianalisis hasilnya. Jika shaft masih kuat maka tidak perlu diganti materialnya dan apabila dianalisis rusak, maka harus dilakukan modifikasi ulang atau dengan mengganti materialnya.

I. Latar BelakangKopling memiliki peranan sangat penting di dunia permesinan. Mesin-mesin biasanya memiliki ukuran yang besar atau memerlukan pentransmisian daya dari satu tempat ke tempat yang lain. Oleh karena itu, shaft atau poros yang diperlukan untuk dapat memenuhi pengoperasian tersebut haruslah panjang dan kuat. Namun tidak mungkin kita membuat sebuah shaft yang panjang dan langsung menggunakannya pada pengoperasian daya tadi. Selain sangat sulit produksi shaft yang panjang, shaft tersebut juga dapat dipastikan tidaklah kuat karena tanpa dikenakan gaya pun shaft tersebut sudah mengalami bending karena menahan massa shaft itu sendiri. Maka dari itu dibuatlah shaft-shaft yang berukuran tidak terlalu panjang dan dihubungkan dengan kopling-kopling.Kopling yang diperlukan dalam proses permesinan haruslah kuat, sehingga pada saat pentranmisian daya kopling tidak rusak dan menyebabkan koneksi antar shaft terputus sehingga mesin tidak beroperasi dengan benar. Maka dari itu diperlukan stress analysis dan analysis displacement pada kopling yang akan digunakan.II. PermasalahanPada makalah ini dirumuskan beberapa masalah yang akan dicari penyelasaiannya, yaitu: Bagaimana stress analysis pada kopling jika dikenai gaya momen? Bagaimana displacement analysis pada kopling jika dikenai gaya momen? Bagaimana stress analysis pada shaft jika dikenai gaya momen? Bagaimana displacement analysis pada shaft jika dikenai gaya momen?III. Dasar TeoriKopling adalah suatu elemen mesin yang berfungsi untuk mentransmisikan daya dari poros penggerak (driving shaft) ke poros yang digerakkan (driven shaft), dimana putaran inputnya akan sama dengan putaran outputnya. Tanpa kopling, sulit untuk menggerakkan elemen mesin sebaik-baiknya. Dengan adanya kopling pemindahan daya dapat dilakukan dengan teratur dan seefisien mungkin.Beberapa syarat yang harus dipenuhi oleh sebuah kopling adalah:1. Mampu menahan adanya kelebihan beban.1. Mengurangi getaran dari poros penggerak yang diakibatkan oleh gerakan dari elemen lain.1. Mampu menjamin penyambungan dua poros atau lebih.1. Mampu mencegah terjadinya beban kejut.Untuk perencanaan sebuah kopling kita harus memperhatikan kondisi-kondisi sebagai berikut:1. Kopling harus mudah dipasang dan dilepas1. Kopling harus dapat mentransmisikan daya sepenuhnya dari poros1. Kopling harus sederhana dan ringan1. Kopling harus dapat mengurangi kesalahan hubungan pada porosProtected flange coupling adalah salah satu jenis kopling tetap yang berbentuk seperti gambar berikut:

Kopling jenis ini memungkinkan pentransmisian daya tinggi dengan kecepatan sedang. Seluruh komponen kopling terbuat dari steel sehingga kuat. Keunggulan dari kopling jenis ini adalah memiliki pengaman pada pinggir koplingnya sehingga lebih aman untuk pekerja dalam proses pengoperasiannya. Kopling ini juga dapat dibongkar dan dipasang lagi dengan mudah tanpa harus merusak salah satu komponennya, hanya perlu melepas atau memasang baut baut yang terdapat pada flensnya.

IV. Permodelan dan MetodologiStress analysis dan displacement analysis pada makalah ini menggunakan aplikasi Autodesk Inventor 2013. Berikut adalah gambar model protected flange coupling yang telah dibuat dan siap di analisis:

Metodologinya adalah dengan menggunakan menu stress analysis pada aplikasi Autodesk Inventor 2013. Sedangkan material yang digunakan yaitu antara lain:

NameSteel, Cast

GeneralMass Density7.85 g/cm^3

Yield Strength250 MPa

Ultimate Tensile Strength300 MPa

StressYoung's Modulus210 GPa

Poisson's Ratio0.3 ul

Shear Modulus80.7692 GPa

Stress ThermalExpansion Coefficient0.000012 ul/c

Thermal Conductivity50 W/( m K )

Specific Heat460 J/( kg c )

Part Name(s)female part.iptmale part.ipt

NameSteel

GeneralMass Density7.85 g/cm^3

Yield Strength207 MPa

Ultimate Tensile Strength345 MPa

StressYoung's Modulus210 GPa

Poisson's Ratio0.3 ul

Shear Modulus80.7692 GPa

Stress ThermalExpansion Coefficient0.000012 ul/c

Thermal Conductivity56 W/( m K )

Specific Heat460 J/( kg c )

Part Name(s)shaft.iptshaft.iptISO 4016 M14 x 60ISO 4016 M14 x 60ISO 4016 M14 x 60ISO 4016 M14 x 60ISO 4034 M14ISO 4034 M14ISO 4034 M14ISO 4034 M14

NameIron, Cast

GeneralMass Density7.25 g/cm^3

Yield Strength200 MPa

Ultimate Tensile Strength276 MPa

StressYoung's Modulus120.5 GPa

Poisson's Ratio0.3 ul

Shear Modulus46.3462 GPa

Stress ThermalExpansion Coefficient0.000012 ul/c

Thermal Conductivity50 W/( m K )

Specific Heat540 J/( kg c )

Part Name(s)key.iptkey.ipt

V. Simulasi dan PerhitunganBerikut simulasi-simulasi stress analylis dan displacement:3. KoplingSimulasi model dikenakan gaya momen sebesar 10000 Nm searah jarum jam pada kedua flensnya.

Von Mises Stress

1st Principal Stress

3rd Principal Stress

Displacement

Contact Pressure

3. ShaftSimulasi shaft model dikenakan gaya momen sebesar 10000 Nm searah jarum jam.Von Mises Stress

1st Principal Stress

3rd Principal Stress

Displacement

Contact Pressure

VI. Hasil dan Pembahasan1. Kopling Reaction Force and Moment on ConstraintsConstraint NameReaction ForceReaction Moment

MagnitudeComponent (X,Y,Z)MagnitudeComponent (X,Y,Z)

Fixed Constraint:10 N0 N20096.9 N m-84.897 N m

0 N0 N m

0 N-20096.7 N m

Result SummaryNameMinimumMaximum

Volume2587120 mm^3

Mass20.2935 kg

Von Mises Stress0.00287247 MPa289.512 MPa

1st Principal Stress-22.7765 MPa210.995 MPa

3rd Principal Stress-251.026 MPa29.159 MPa

Displacement0 mm0.0706934 mm

Safety Factor0.863522 ul15 ul

Stress XX-143.028 MPa113.25 MPa

Stress XY-81.8964 MPa122.4 MPa

Stress XZ-89.241 MPa61.5572 MPa

Stress YY-209.653 MPa158.879 MPa

Stress YZ-96.3173 MPa101.743 MPa

Stress ZZ-78.0277 MPa140.752 MPa

X Displacement-0.0705343 mm0.0609822 mm

Y Displacement-0.0626612 mm0.0684845 mm

Z Displacement-0.00936717 mm0.00558907 mm

Equivalent Strain0.00000001269 ul0.00119483 ul

1st Principal Strain-0.0000000156576 ul0.0010667 ul

3rd Principal Strain-0.00107854 ul-0.00000000671544 ul

Strain XX-0.000666124 ul0.000623562 ul

Strain XY-0.000836494 ul0.000757716 ul

Strain XZ-0.00084036 ul0.000381069 ul

Strain YY-0.00082242 ul0.000824008 ul

Strain YZ-0.00059625 ul0.00062984 ul

Strain ZZ-0.000444025 ul0.000490288 ul

Contact Pressure0 MPa251.846 MPa

Contact Pressure X-246.761 MPa182.332 MPa

Contact Pressure Y-136.459 MPa170.261 MPa

Contact Pressure Z-81.486 MPa89.5999

Diketahui bahwa ultimate tensile strength dari material cast steel adalah 300 MPa, dan pada analisis tidak ada hasil yang melebihi 300 MPa. Maka dapat dipastikan bahwa kopling ini dengan dibebani gaya momen 10000 Nm masih dapat beroperasi dan tidak break atau rusak.2. ShaftReaction Force and Moment on ConstraintsConstraint NameReaction ForceReaction Moment

MagnitudeComponent (X,Y,Z)MagnitudeComponent (X,Y,Z)

Fixed Constraint:1224.409 N-115.639 N9089.89 N m11.4962 N m

192.315 N-34.8865 N m

1.43904 N9089.81 N m

Result SummaryNameMinimumMaximum

Volume2587120 mm^3

Mass20.2935 kg

Von Mises Stress0.0351226 MPa463.929 MPa

1st Principal Stress-75.9486 MPa548.759 MPa

3rd Principal Stress-509.803 MPa92.8495 MPa

Displacement0 mm0.108563 mm

Safety Factor0.446189 ul15 ul

Stress XX-307.326 MPa298.164 MPa

Stress XY-229.056 MPa218.154 MPa

Stress XZ-179.826 MPa157.395 MPa

Stress YY-272.51 MPa288.214 MPa

Stress YZ-158.442 MPa183.475 MPa

Stress ZZ-206.479 MPa237.265 MPa

X Displacement-0.078427 mm0.107159 mm

Y Displacement-0.105945 mm0.0780801 mm

Z Displacement-0.0067651 mm0.004763 mm

Equivalent Strain0.000000144951 ul0.00201053 ul

1st Principal Strain0.0000000690922 ul0.00232576 ul

3rd Principal Strain-0.00219273 ul0.000000520727 ul

Strain XX-0.00142476 ul0.00105781 ul

Strain XY-0.00141796 ul0.00135048 ul

Strain XZ-0.00111321 ul0.000974352 ul

Strain YY-0.000894193 ul0.0010233 ul

Strain YZ-0.000980831 ul0.00143174 ul

Strain ZZ-0.00103618 ul0.000996559 ul

Contact Pressure0 MPa280.983 MPa

Contact Pressure X-155.214 MPa201.491 MPa

Contact Pressure Y-181.324 MPa131.741 MPa

Contact Pressure Z-69.6146 MPa73.9898 MPa

Diketahui bahwa ultimate tensile strength dari material steel adalah 345 MPa, dan pada analisis terdapat dua hasil yang melebihi 345 MPa. Dua hasil tersebut adalah Von Misses stress sebesar 463.929 MPa dan 1st Principal Stress sebesar 548.759 MPa. Maka dapat dipastikan bahwa shaft ini dengan dibebani gaya momen 10000 Nm sudah mengalami kegagalan dan tidak dapat beroperasi dengan baik.VII. Kesimpulan Kopling yang dikenakan gaya momen sebesar 10000 Nm masih dapat beroperasi dengan baik karena tidak ada hasil analis yang melebihi 300 MPa. Shaft yang dkenakan gaya momen sebesar 10000 Nm sudah mengalami kegagalan karena terdapat dua hasil analisis yang melebihi 345 MPa, yaitu Von Misses stress sebesar 463.929 MPa dan 1st Principal Stress sebesar 548.759 MPa. Disarankan untuk mengganti material shaft dengan material yang lebih kuat.VIII. LampiranIX. Daftar PustakaA Textbook of Machine Design by R.S.KHURMI AND J.K.GUPTA

18