Pendahuluan
Safety factor (faktor keamanan) adalah salah satu konsep kunci dalam desain teknik, yang digunakan untuk memastikan bahwa struktur atau komponen mekanik dapat menahan beban yang dihadapinya selama masa pakainya. Pemilihan safety factor yang tepat sangat penting untuk menghindari kegagalan struktural yang dapat mengakibatkan kerugian materiil, cedera, atau bahkan kehilangan nyawa. Artikel ini akan membahas perhitungan dan pemilihan safety factor pada desain struktur mesin di berbagai industri. (Disclaimer: pemilihan nilai safety factor sangat tergantung sekali dengan standar dari perusahaan, sehingga angka-angka pada artikel ini hanyalah gambaran secara kasar)
Definisi Safety Factor
Safety factor, sering disimbolkan dengan SF, adalah rasio antara kapasitas maksimum material atau struktur untuk menahan beban dengan beban kerja yang diharapkan. Secara matematis, untuk beban statis safety factor dapat dinyatakan sebagai:
SF = Kekuatan Maksimum Material/Tegangan maksimum pada struktur
Namun, kondisi di lapangan pada industri-industri seperti otomotif, alat berat, aerospace, elektronik, dan sejenisnya, sering kali melibatkan beban yang berulang, sehingga kegagalan lebih sering terjadi karena adanya fatigue. Oleh karena itu, kita perlu definisikan juga safety factor untuk beban fatigue:
SF = Tegangan yang dibutuhkan untuk survive/Tegangan aktual pada struktur
Contoh perhitungan safety factor (beban statis):
Misalkan kita memiliki struktur yang dibebani dengan gaya tertentu, baik dengan perhitungan analitis ataupun simulasi, kita dapatkan tegangan tertinggi pada suatu titik adalah 80 MPa, misalkan material yang digunakan pada struktur itu adalah baja dengan kekuatan maksimum misalkan 200 MPa, maka dapat dihitung:
SF = 200/80 = 2.5
Perlu dicatatat, kekuatan maksimum dari material ini dapat berupa yield strength, ultimate tensile strength, atau lainya tergantung dengan karakteristik material dan tingkat akurasi dari pengujian material tersebut. Hal yang sama juga berlaku untuk perhitungan teganganya, misalkan tegangan von mises, shear, principal dan lain-lain yang mungkin dapat dibaca pada artikel teori kegagalan.
Contoh perhitungan safety factor (beban fatigue)
Perhitungan fatigue cenderung lebih rumit karena melibatkan hubungan antara nilai tegangan dengan jumlah siklus yang diperlukan untuk gagal, yang dibahas lebih lengkap pada artikel fatigue. Pada perhitungan ini, kita harus mendefinisikan pula umur ekspektasi dari struktur kita, misalkan 20.000 siklus, yang bersesuaian dengan tegangan 80 MPa pada S-N Curve, sedangkan perhitungan aktual pada struktur menunjukkan tegangan maksimum 60 MPa, sehingga safety factor dapat dihitung sebagai berikut:
SF = 80/60 = 1.33
Perlu dicatat bahwa hasil perhitungan safety factor beban statis dan fatigue memiliki filosofi yang berbeda, untuk beban statis adalah kegagalan material sebagai parameter, sedangkan pada fatigue lebih ke ekspektasi usia yang kita definisikan, sehingga engineer perlu meninjau keduanya secara terpisah.
Perhitungan tegangan dengan software MSC Nastran
Kurva S-N Material (fatigue)
Perhitungan Safety Factor
Perhitungan safety factor melibatkan beberapa langkah, termasuk analisis beban, pemilihan material, dan evaluasi kondisi kerja. Berikut adalah langkah-langkah umum dalam perhitungan safety factor:
- Analisis Beban:
- Identifikasi semua beban yang bekerja pada struktur atau komponen.
- Termasuk beban statis, beban dinamis, beban siklik, dan beban lingkungan (seperti temperatur dan korosi).
- Pemilihan Material:
- Tentukan material yang sesuai berdasarkan sifat mekanik seperti kekuatan tarik, kekuatan tekan, kekuatan geser, dan modulus elastisitas.
- Pertimbangkan juga faktor-faktor seperti ketersediaan material, biaya, dan kemampuan produksi.
- Evaluasi Kondisi Kerja:
- Analisis kondisi kerja seperti temperatur operasional, kecepatan putaran, dan lingkungan kerja.
- Pertimbangkan faktor degradasi material seperti keausan dan korosi.
- Perhitungan Safety Factor:
- Gunakan data material dan beban yang telah dianalisis untuk menghitung kekuatan maksimum material.
- Tentukan beban kerja yang diharapkan pada struktur atau komponen.
- Hitung safety factor menggunakan rumus yang telah disebutkan sebelumnya.
Untuk struktur-struktur yang sangat sederhana, seperti beam, poros, atau konsentrasi tegangan dengan ukuran yang tersedia di katalog, kita dapat menggunakan perhitungan analitis sederhana. Namun, untuk aplikasi real di industri, dengan geometri yang kompleks dan assembly yang rumit, software Finite Element Analysis (FEA) harus digunakan untuk mendapatkan hasil yang akurat, salah satu contoh software FEA yang paling umum digunakan untuk keperluan di industri adalah MSC Nastran. Terlebih lagi untuk analisis fatigue yang perhitungannya melibatkan banyak faktor seperti frekuensi beban dll, diperlukan software yang dedicated seperti CAEFatigue untuk perhitunganya.
Pemilihan Safety Factor
Pemilihan safety factor tergantung pada beberapa faktor, termasuk:
- Jenis Industri:
- Industri Penerbangan: Safety factor yang tinggi diperlukan karena kegagalan struktural dapat menyebabkan kecelakaan fatal, namun safety factor yang terlalu tinggi tentunya akan counter-productive dengan filosofi desain pesawat terbang yang harus seringan mungkin. Safety factor berkisar antara 1.5 hingga 3.
- Industri Otomotif: Safety factor umumnya lebih rendah dibandingkan industri penerbangan, berkisar antara 2 hingga 3, tergantung pada komponen yang dirancang. Perlu diperhatikan juga bahwa komponen otomotif melibatkan beban fatigue yang tinggi.
- Industri Konstruksi: Safety factor berkisar antara 1.5 hingga 2.5, tergantung pada jenis bangunan dan material yang digunakan.
- Industri Minyak dan Gas: Safety factor tinggi (3 hingga 5) diperlukan karena kondisi kerja yang ekstrem dan risiko tinggi kegagalan.
- Konsekuensi Kegagalan:
- Jika kegagalan komponen dapat menyebabkan cedera atau kematian, safety factor yang lebih tinggi diperlukan.
- Jika kegagalan hanya menyebabkan kerugian materiil yang kecil, safety factor yang lebih rendah mungkin dapat diterima.
- Variabilitas Material dan Beban:
- Jika material memiliki variabilitas sifat mekanik yang tinggi atau jika beban yang dihadapi sangat bervariasi, safety factor yang lebih tinggi diperlukan untuk mengakomodasi ketidakpastian tersebut.
- Hal ini juga dapat dipengaruhi oleh akurasi pengukuran data material yang dimiliki oleh perusahaan, sehingga setiap perusahaan mungkin memiliki pilihan safety factor yang sangat beragam
- Metode perhitungan tegangan
- Menggunakan perhitungan analitis, kita akan banyak sekali menyederhanakan sistem, misalkan menghilangkan efek konsentrasi tegangan pada titik tertentu, atau menghilangkan interaksi lainya, sehingga ketidakpastian perhitungan juga akan semakin tinggi yang membuat desainer cenderung menaikkan safety factor untuk mengakomodasi margin tersebut.
- Perhitungan dengan software FEA juga dapat menghasilkan kepastian desain yang berbeda, misalkan CAD-Embedded-FEA dengan dedicated FEA software memiliki level yang sangat berbeda dari tingkat penyederhanaan sistem dan juga detailnya untuk assembly yang besar. Baca selengkapnya pada artikel CAD-Embedded-FEA vs Dedicated FEA.
Kesimpulan
Pemilihan dan perhitungan safety factor adalah langkah kritis dalam desain struktur mesin di berbagai industri. Dengan mempertimbangkan jenis industri, konsekuensi kegagalan, dan variabilitas material serta beban, insinyur dapat menentukan safety factor yang sesuai untuk memastikan keamanan dan keandalan struktur atau komponen yang dirancang. Pendekatan yang hati-hati dan sistematis dalam pemilihan safety factor tidak hanya menghindarkan kegagalan yang tidak diinginkan tetapi juga mengoptimalkan penggunaan material dan biaya produksi.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!