Analisis Beban Fatigue pada Pengelasan (Welding)

/0 Comments/in /by

Fatigue (kelelahan) menyebabkan lebih dari 90 persen kegagalan pada komponen baja yang dilas. Fatigue pada peralatan stasioner merupakan masalah besar, namun hal ini sangat penting pada peralatan bergerak, yang mengalami beban tak terduga, sehingga rentan terhadap kegagalan fatigue.

Fatigue adalah suatu proses dimana material yang mengalami beban bersiklus di bawah tegangan kegagalan material dalam kondisi tidak rusak yang lama-kelamaan menimbulkan retakan sehingga menyebabkan kegagalan komponen. Jumlah siklus kegagalan tidak hanya tergantung pada sifat elastis material dan beban tetapi juga pada berbagai faktor seperti tegangan sisa, ketangguhan patah material, diskontinuitas, ukuran butir, suhu, geometri, permukaan akhir, atau adanya korosi. Karena lasan memodifikasi hampir semua faktor ini secara lokal, maka tidak mengherankan bahwa prediksi umur fatigue di dalam dan di sekitar lasan merupakan hal yang menarik dan banyak diteliti.

Untuk insinyur yang merancang struktur baja las yang mengalami pembebanan dinamis, umur fatigue biasanya menjadi prioritas utama. Baik mengelas bersama-sama beberapa bagian yang relatif sederhana atau membuat struktur yang besar dan kompleks, kelelahan las cenderung menjadi mode kegagalan yang paling umum jika bagian atau struktur mengalami tegangan yang berfluktuasi.

Kurva Material S-N

Untuk berhasil melakukan evaluasi kelelahan struktur baja, perlu untuk mengevaluasi umur kelelahan setiap komponen struktur. Resistensi detail diwakili oleh kurva S-N yang sesuai, yang diperoleh sebagai hasil pengujian sampel yang dikenai tegangan variabel dengan amplitudo konstan dan variabel. Ini ditentukan sebagai hubungan antara tegangan variabel, S dan jumlah perubahan tegangan, N. Dengan cara itu, data tentang hambatan setiap detail dengan geometri yang sesuai, kualitas kinerja, pengaruh lingkungan, dan cara pembebanan diperoleh.

Grafik menunjukkan kurva S-N khas dari dua kelompok paduan. Sumber: https://www.comsol.com/blogs/how-to-predict-the-fatigue-life-of-welds/

Seperti yang ditunjukkan gambar di atas, variasi tegangan sebesar 10% dapat berarti perbedaan lebih dari dua faktor dalam jumlah siklus hingga gagal (atau bahkan lebih pada paduan baja). Dengan demikian, menentukan tegangan pada lasan dengan tingkat keandalan yang baik sangat penting untuk memprediksi umur kelelahan las.

Geometri Las

Representasi skematis dari proses pengelasan lasan fillet. Sumber: https://www.comsol.com/blogs/how-to-predict-the-fatigue-life-of-welds/

Lasan umumnya diklasifikasikan berdasarkan posisi relatif dari komponen-komponen yang disambung. Dalam contoh ini, kita akan menganalisis lasan fillet, yaitu lasan di mana dua komponen disambungkan membentuk sudut. Lasan fillet adalah solusi umum yang digunakan saat menyambung pipa, pelat tegak lurus, atau pelat yang tumpang tindih. Sebuah las fillet diperlukan untuk mencapai fusi lengkap ke akar dan menyajikan dimensi minimum (dalam hal ketebalan tenggorokan atau panjang kaki) melalui panjangnya untuk dianggap dapat diterima.

Sebagian besar lasan yang dihasilkan di lapangan tidak akan menjalani pemeriksaan yang cukup untuk menjamin penetrasi lasan yang lengkap melalui ketebalan pelat yang disambung. Itulah salah satu alasan mengapa cukup umum untuk menggunakan hanya throat las sebagai jalur beban dan menganggap bahwa bahan dasar tidak berkontribusi pada kekakuan sambungan las saat melakukan analisis tegangan las.

Nominal Stress Method

Ini adalah pendekatan yang paling sering digunakan untuk penilaian umur kelelahan struktur baja yang rentan terhadap kelelahan, dan juga diadopsi dalam standar. Pendekatan ini didasarkan pada tegangan rata-rata pada penampang yang sesuai. Tegangan telah dihitung dengan mekanika struktur klasik dengan asumsi teori elastik linier. Efek lokal yang menyebabkan pembesaran tegangan (konsentrasi) diabaikan, tetapi mempertimbangkan modifikasi geometris yang memiliki dampak signifikan pada variasi tegangan (misalnya, memotong lubang). Efek lokal secara implisit diperhitungkan oleh kurva S-N.

Tegangan nominal dalam komponen balok. Sumber: https://www.hindawi.com/journals/ace/2018/3597356/

Kategori detail dan kurva S-N yang sesuai berdasarkan tegangan nominal tersedia di sebagian besar pedoman desain. Karena kategori detail bergantung pada geometri elemen, pembebanan, dan lokasi retak, detail las yang dipertimbangkan harus serupa dengan detail yang diberikan dalam pedoman.

Pendekatan berbasis tegangan nominal tidak cocok untuk detail kompleks geometris yang tidak dapat ditetapkan ke kurva S-N yang sesuai atau jika tegangan nominal tidak mungkin dihitung. Dalam hal ini perlu digunakan pendekatan yang mempertimbangkan efek lokal (local approach).

Notch Stress Method

Metode lain untuk menghitung umur kelelahan sambungan las adalah dengan menganalisis geometri akhir lasan. Ini disebut metode effective notch stress. Metode ini mensyaratkan bahwa struktur dimodelkan sebagai padatan, sehingga penggunaan cangkang untuk mendekati perilaku struktur dihalangi. Tegangan yang dihitung menggunakan model rinci ini dapat langsung dibandingkan dengan kurva S-N, yang tidak spesifik untuk jenis sambungan. Untuk alasan yang dijelaskan sebelumnya, lasan menyajikan tingkat variabilitas yang tinggi dalam bentuknya, sehingga metode ini mengasumsikan profil las yang efektif berdasarkan ketebalan throat las dan radius notch tertentu.

Evaluasi tegangan dalam takik dengan jari-jari referensi. Sumber: https://www.hindawi.com/journals/ace/2018/3597356/

Konsentrasi tegangan lokal disebabkan oleh notch dan ketidaksempurnaan lain di dalam sambungan las, yang mengurangi umur kelelahan sambungan las. Tegangan di dalam lasan adalah jumlah tegangan lokal yang disebabkan oleh geometri detail dan tegangan karena las itu sendiri. Tegangan notch (jari kaki atau akar) dari lasan bisa sangat tinggi tergantung pada ketajaman notch atau radius. Untuk notch yang sangat tajam (jari-jari notch menjalin nol), regangan elastis teoretis mencapai hingga tak terhingga. Namun, dengan regangan tak terbatas itu, tidak mungkin untuk dihitung.

Hot Spot Method

Alternatif lain untuk menghitung umur fatigue sambungan las adalah metode hot spot. Metode ini didasarkan pada tegangan representatif yang diturunkan dari distribusi tegangan ideal di sekitar lasan. Tegangan representatif ini kadang-kadang disebut tegangan struktural, tegangan geometris, atau tegangan titik panas, yang merupakan denominasi yang digunakan di bawah ini. Umumnya, tegangan tegak lurus terhadap lasan di dekat jari kaki memiliki distribusi nonlinier sepanjang ketebalan:

Tegangan total melalui ketebalan dan dekomposisi menjadi tegangan membran, lentur, dan nonlinier. Sumber: https://www.comsol.com/blogs/how-to-predict-the-fatigue-life-of-welds/

Distribusi tegangan melalui ketebalan dapat dibagi menjadi tiga bagian:

  1. Tegangan membran, yang konstan sepanjang ketebalan
  2. Tegangan lentur, yang didistribusikan secara linier melalui ketebalan dan dikompensasi sendiri
  3. Stres nonlinier, yang juga dikompensasikan sendiri

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

https://www.hindawi.com/journals/ace/2018/3597356/ (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

https://www.comsol.com/blogs/how-to-predict-the-fatigue-life-of-welds/ (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

https://www.machinedesign.com/materials/metals/article/21832060/fatigue-in-weldedsteel-structures (diakses pada tanggal 22 Desember 2021)

Contoh Soal Beban Statis pada Pengelasan (Welding)

/0 Comments/in /by

Beberapa contoh sambungan yang dibebani secara statis berguna dalam membandingkan dan mengontraskan metode analisis konvensional dan metodologi kode pengelasan. Di bawah ini adalah beberapa contoh soal beban statis pengelasan.

Contoh 1

Gambar 1

Sebuah batang 1/2 in di dalam penampang logam batang persegi panjang 1015 2-in membawa beban statis 16,5 kip. Bar dilas ke pelat buhul dengan las fillet 3/8 in pada di kedua sisi dengan E70XX elektroda seperti yang digambarkan pada Gambar 1. Gunakan metode kode pengelasan.

a) Apakah kekuatan logam las memuaskan?
b) Apakah sambungan lasnya memuaskan?

Tabel 1

a) Dari Tabel 1, gaya yang diijinkan per satuan panjang untuk logam elektroda E70 3/8 in adalah 5,57 kip/in dari pengelasan; jadi

F= 5.57l = 5.57(4)= 22.28 kip

Karena 22,28 > 16,5 kip, kekuatan logam las cukup memuaskan.

b) Periksa gaya geser pada sambungan yang berdekatan dengan lasan. Dari Tabel ASTM hot-rolled dan cold-drawn Sy 27,5kpsi. = Kemudian, dari Tabel 2, tegangan geser perlekatan yang diijinkan adalah

Tabel ASTM: Gaya tarik minimal dan kekuatan yield pada baja hot-rolled dan cold-drawn
Tabel 2

τall 0.4Sy = 0.4(27.5) = 11 kpsi

Tegangan geser τ pada logam dasar yang berdekatan dengan lasan adalah

τ = F/(2hl) = 16.5/(2*0.375*2) = 11 kpsi

karena τall <= τ, sambungan memuaskan di dekat las. Tegangan tarik dalam batang sambungan σ adalah

σ = F/tl = 16.5 kpsi

Tegangan tarik yang diijinkan σall dari Tabel 2, adalah 0,6Sy dan dengan tingkat keamanan kode pengelasan dipertahankan

σall = 0.6Sy = 0.6(27.5) = 16.5 kpsi

karena σ ≤ σall , kekuatan sambungan memuaskan.

Contoh 2

Ada sebuah kantilever las yang dibebani secara statis 500 lbf digambarkan pada Gambar 2. Kantilever terbuat dari baja AISI 1018 HR dan dilas dengan 3/8 in las fillet seperti yang ditunjukkan pada gambar. Elektroda E6010 digunakan, dan faktor desain adalah 3.0.

a) Gunakan metode konvensional untuk logam las.
b) Gunakan metode konvensional untuk logam pengikat (kantilever).
c) Gunakan kode las untuk logam las.

Gambar 2
Tabel 3
Tabel 4

a) dari tabel 3 Sy = 50 kpsi, Sut = 62 kpsi, dari tabel 4 pola kedua, b= 0.375 in, d = 2 in, jadi

A = 1.414hd = 1.414(0.375)2 = 1.06 in2

Iu = d3/6 = 23/6 = 1.33 in

I = 0.707hIu = 0.707 (0.375) 1.33 = 0.353 in4

Gaya geser primer τ’ = F/A = 500 (10-3) / 1.06 = 0.472 kpsi

Gaya geser sekunder τ” = Mr/I = 500 (10-3) (6) (1) / 0.353 = 8.50 kpsi

Besar gaya geser τ adalah kombinasi Pythagoras τ = (τ’2 + τ”2)1/2 = (0.4722 + 8.502)1/2 = 8.51 kpsi

Faktor keamanan berdasarkan kekuatan minimum dan kriteria energi distorsi adalah

n = Ssy / τ = 0.557 (50) / 8.51 = 3.39

Karena n ≥ nd ; 3.39 ≥ 3.0 logam las memiliki kekuatan yang cukup

b) Dari tabel ASTM: Gaya tarik minimal dan kekuatan yield pada baja hot-rolled dan cold-drawn, kekuatan minimal Sut = 58 kpsi dan Sy = 32 kpsi, lalu

σ = M / (I/c) = M/ (bd2/6) = 500 (10-3) 6 / (0.375*22 / 6) = 12 kpsi

n = Sy / σ = 32/12 = 2.67

karena n < nd, kekuatan sambungan pada logam pengikat tidak cukup

c) Dari bagian (a), τ = 8,51 kpsi. Untuk elektroda E6010 pada Tabel 1 tegangan geser yang diizinkan τall adalah 18 kpsi. Karena τ < τall, pengelasannya memuaskan. Karena kodenya sudah memiliki faktor desain 0,577(50)/18 = 1.6 termasuk pada kesetaraan, yang sesuai faktor keamanan pada bagian (a) adalah

n = 1.6 (18/8.51) = 3.38 -> konsisten

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

Tegangan Sambungan Las dalam Bending (Pembengkokan)

/0 Comments/in /by

Gambar di bawah menunjukkan kantilever yang dilas ke tumpuan dengan las fillet di bagian atas dan bawah. Free body diagram balok akan menunjukkan gaya geser reaksi V dan reaksi momen M. Gaya geser menghasilkan geser primer pada las besarnya

τ’ = V/A

Penampang persegi panjang kantilever dilas ke penopang di tepi atas dan bawah.

di mana A adalah total luas pengelasan.

Momen M menginduksi komponen tegangan geser horizontal pada lasan. Menganggap dua lasan pada Gambar b sebagai garis, kita menemukan momen luas kedua menjadi:

Iu = bd2/2

Momen kedua dari area I, berdasarkan luas throat las, adalah

I = 0.707hIu = 0.707h (bd2/2)

Tegangan geser throat nominal sekarang ditemukan

τ” = Mc/I = (Md/2) / (0.707hbd2/2)

Momen kedua dari luas dalam Persamaan di atas didasarkan pada jarak d antara keduanya las. Jika momen ini ditemukan dengan memperlakukan kedua lasan sebagai memiliki tapak persegi panjang, jarak antara centroid throat las kira-kira (d + H). Ini akan menghasilkan sedikit lebih besar momen area kedua, dan menghasilkan level yang lebih kecil dari tegangan. Metode ini memperlakukan lasan sebagai garis tidak mengganggu konservatisme dari model.

Gaya geser vertikal (primer) dan gaya geser horizontal (sekunder) dari kemudian digabungkan sebagai vektor menjadi

τ = (τ’2 + τ”2)1/2

Tabel properties bending pada fillet weld

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

Tegangan Sambungan Las dalam Torsi

/0 Comments/in /by

Gambar di bawah mengilustrasikan kantilever dengan panjang l yang dilas ke kolom dengan dua las fillet. Reaksi pada tumpuan kantilever selalu terdiri dari gaya geser V dan momen M. Gaya geser menghasilkan geser primer pada lasan besarnya:

Free body diagram gaya geser pada las fillet

τ’ = V/A

A adalah luasan yang dilas

Momen pada tumpuan menghasilkan geser sekunder atau torsi las, dan tegangan ini dirumuskan

τ” = Mr/J

di mana r adalah jarak dari pusat massa kelompok las ke titik di las b dan J adalah momen kutub kedua dari luas grup las pada pusat massa dari grup. Ketika ukuran lasan diketahui, persamaan ini dapat diselesaikan dan hasilnya digabungkan untuk mendapatkan tegangan geser maksimum. Perhatikan bahwa r biasanya adalah jarak terjauh dari pusat massa kelompok las.

Gambar di atas menunjukkan dua lasan dalam satu kelompok. Bentuk persegi panjang mewakili daerah dari hasil las. Las 1 memiliki ketebalan t1 = 0,707h1, dan las 2 memiliki ketebalan t2 = 0.707h2. Perhatikan bahwa h1 dan h2 adalah ukuran las masing-masing. Luasan kedua lasan gabungan adalah

A = A1 + A2 = t1d + t2b

Sumbu x pada Gambar di atas melewati pusat massa G1 dari lasan 1. Kedua momen luas terhadap sumbu tersebut adalah

Ix = t1d3/12

Iy = dt13/12

Jadi momen kutub kedua dari luas las 1 pada pusat massanya sendiri adalah

JG1 = Ix + Iy = (t1d3/12) + (dt13/12)

Dengan cara yang sama, momen kutub kedua dari luas las 2 terhadap pusat massanya adalah

JG2 = (bt23/12) + (t2b3/12)

Titik berat G dari grup las terletak di

x¯= (A1x1+A2x2)/A ; y¯= (A1y1+A2y2)/A

jarak r1 dan r2 dari G1 dan G2 ke G, masing-masing adalah

r1 = [(x¯- x1)2 + y¯2]1/2 dan r2 = [(y2– y¯)2+(x2– x¯)2]1/2

Sekarang, dengan menggunakan teorema sumbu paralel, kita menemukan momen kutub kedua dari luas kelompok las menjadi

J = (JG1 + A1r12) + (JG2 + A2r22)

Tabel momen polar pada macam-macam konfigurasi umm fillet weld

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

Bolt Preload and External Load

/0 Comments/in /by

Bolt preload digunakan untuk menjepit dua pelat atau dua struktur dan membuat kunci gesekan antar member dan mengurangi efek beban bersiklus pada baut. Sehubungan dengan yang terakhir (yaitu, kelelahan baut), preload dapat membuat semua perbedaan antara struktur yang aman dan tahan lama.

Sekarang mari kita perhatikan apa yang terjadi ketika beban tarik eksternal P, seperti pada Gambar di atas diterapkan pada sambungan baut. Tentu saja, diasumsikan bahwa penjepitan gaya, yang akan kita sebut pramuat (preload) Fi telah diterapkan dengan benar dengan mengencangkan mur sebelum P diterapkan. Nomenklatur yang digunakan adalah:

  • Fi = Gaya penjepitan (Preload)
  • Ptotal = Total beban tarik eksternal yang diterapkan pada sambungan
  • P = beban tarik eksternal per baut
  • Pb = bagian P yang diambil oleh baut
  • Pm = bagian P yang diambil oleh member
  • Fb = Pb + Fi = beban resultan baut
  • Fm = Pm – Fi = beban resultan member
  • C = fraksi beban eksternal P baut
  • 1 – C = fraksi beban eksternal P member
  • N = jumlah baut pada sambungan

Jika N baut membagi beban luar total secara merata, maka

P = Ptotal/N

Beban P adalah tegangan, dan itu menyebabkan sambungan meregang, atau memanjang, melalui jarak tertentu . Kita dapat menghubungkan perpanjangan ini dengan kekakuan dengan mengingat bahwa k adalah gaya dibagi dengan defleksi. Jadi

δ = Pb/kb dan δ = Pm/km

P = Pb + Pm , kita memiliki

Pb = KbP / (kb+km) = C P

Pm = P – Pb = (1 – C) P

dimana

C = kb / (kb+km)

disebut konstanta kekakuan sambungan. Beban baut yang dihasilkan adalah

Fb = Pb + Fi = C P + Fi ; Fm < 0

dan beban yang dihasilkan pada member yang terhubung adalah

Fm = Pm – Fi = (1-C) P – Fi ; Fm < 0

Hasil ini hanya berlaku selama beberapa beban penjepitan tetap berada di anggota.

Tabel di bawah berguna memberikan beberapa informasi tentang nilai relatif dari kekakuan yang dihadapi. Pegangan hanya berisi dua member, keduanya dari baja, dan tidak ada ring. Rasio C dan 1 C adalah koefisien P. Mereka menggambarkan proporsi beban eksternal yang diambil oleh baut dan oleh membernya masing-masing. Dalam semua kasus, member mengambil alih 80 persen dari beban eksternal. Pikirkan betapa pentingnya ini ketika ada beban kelelahan. Perhatikan juga bahwa membuat cengkeraman lebih lama menyebabkan member mengambil persentase yang lebih besar dari beban eksternal.

Desain screw dengan FEA

Metode yang umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada screw adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain screw. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

skema kompresi pada baut

Kekakuan Member (Joints-Member Stiffness)

/0 Comments/in /by

Pada bagian sebelumnya, kita menentukan kekakuan pengikat di zona yang dijepit. Pada bagian ini, kita ingin mempelajari kekakuan komponen struktur di zona terjepit. Kedua kekakuan ini harus diketahui untuk mempelajari apa yang terjadi ketika sambungan rakitan dikenai beban tarik eksternal.

Mungkin ada lebih dari dua member yang disertakan dalam pegangan pengikat. Semua member bersama-sama bertindak seperti pegas tekan secara seri, dan karenanya konstanta pegas total member adalah:

1/kmember = 1/k1 +1/k2 …… + 1/kn

Jika salah satu member adalah gasket lunak, kekakuannya relatif terhadap member lainnya biasanya sangat kecil sehingga untuk semua tujuan praktis yang lain dapat diabaikan dan hanya kekakuan gasket yang digunakan. Jika tidak ada gasket, kekakuan member agak sulit diperoleh, kecuali dengan eksperimen, karena luasan kompresi menyebar di antara kepala baut dan mur sehingga luasnya tidak seragam. Namun, ada beberapa kasus di mana luasan ini dapat ditentukan.

skema kompresi pada baut

Gambar di atas mengilustrasikan geometri kerucut umum menggunakan sudut setengah puncak . Sebuah sudut α = 30◦ telah kita gunakan, karena sudut ini dipakai pada sebagian besar aplikasi fastener.

Mengacu pada Gambar.b, kontraksi elemen kerucut ketebalan dx mengalami gaya tekan P dapat dirumuskan menjadi

dδ = Pdx/EA

A = π (ro2 – ri2) = π {[x tan α + (D/2)]2 – (d/2)2}

dδ diintegralkan menjadi

δ = (P/π Ed tan α) ln {[(2t tan α+D-d)(D+d )] / [(2t tan α+D+d)(D-d )]}

konstanta kekakuan member adalah

k = P/δ = π Ed tan α / ln {[(2t tan α+D-d)(D+d )] / [(2t tan α+D+d)

kmember/Ed = π tan α / ln {[(2t tan α+D-d)(D+d )] / [(2t tan α+D+d) -> Kekakuan tak berdimensi

Desain joint member dengan FEA

umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada joint member adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain joint member. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

http://portal.ku.edu.tr/~cbasdogan/Courses/MDesign/course_notes/Joint_Stiffness.pdf (diakses pada tanggal 9 Desember 2021)


Teori Kekakukan Pengikat Sambungan (Joint-Fastener Stiffness)

/0 Comments/in /by

Ketika sambungan ingin dirancang dapat dibongkar tanpa metode yang merusak dan cukup kuat untuk menahan beban tarik luar, beban momen, dan geser beban, atau kombinasinya, sambungan baut sederhana menggunakan hardened steel washer adalah solusi yang baik. Sambungan seperti itu juga bisa berbahaya kecuali jika dilakukan dengan benar, dirancang, dan dirakit oleh mekanik terlatih.

Sambungan berulir umumnya terdiri dari dua komponen, pengikat dan member. Masing-masing memiliki kekakuan yang berkontribusi pada keseluruhan kekakuan sambungan dan teridentifikasi dalam gambar di bawah ini.

Fastener dan Member. Sumber: http://portal.ku.edu.tr/~cbasdogan/Courses/MDesign/course_notes/Joint_Stiffness.pdf

Untuk mengetahui kinerja sambungan baut, perlu dilakukan perhitungan kekakuan sambungan. Itu adalah defleksi sambungan di bawah kondisi pembebanan baut. Ketika geometri sambungan baut adalah anulus dengan diameter luar kurang dari 2,5 x diameter baut, kekakuan sambungan dapat dengan mudah dihitung menggunakan k = EA/l. Ketika sambungan terdiri dari gasket non-logam atau bahan dengan modulus elastisitas rendah, komponen ini mungkin memiliki nilai kekakuan yang rendah sehingga kekakuan bagian logam sambungan akan berdampak sangat rendah pada kekakuan keseluruhan.

Kekakuan bagian baut atau sekrup di dalam zona klem umumnya akan terdiri dari dua bagian, bagian batang tidak berulir dan bagian berulir. Dengan demikian konstanta kekakuan baut setara dengan kekakuan dari dua pegas secara seri seperti pada gambar di bawah.

Skema kekakuan baut. Sumber: https://www.slideserve.com/odetta/chapter-8-powerpoint-ppt-presentation

Kekakuan keseluruhan pengikat ditentukan dengan hubungan:

1/kbolt = 1/kt + 1/kd

atau kbolt = (ktkd) / (kt+kd)

kt = AtE/lt dan kd = AdE/ld

  • At = Luasan tegangan tarik
  • lt = Panjang bagian
  • Ad = Luasan diameter utama pengikat
  • ld = Panjang bagian yang tidak berulir
  • E = Modulus elastisitas baut
  • kt = Konstanta kekakuan bagian berulir
  • kd = Konstanta kekakuan bagian tidak berulir

Substitusi persamaan kt dan kd, maka persamaan kbolt menjadi

kbolt = (AdAtE) / (Adlt+Atld)

Desain screw dengan FEA

umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada screw adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain screw. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

http://portal.ku.edu.tr/~cbasdogan/Courses/MDesign/course_notes/Joint_Stiffness.pdf (diakses pada tanggal 8 Desember 2021)

https://www.slideserve.com/odetta/chapter-8-powerpoint-ppt-presentation (diakses pada tanggal 8 Desember 2021)

threaded fastener

Pengikat Berulir (Threaded Fastener) Pada Elemen Mesin

/0 Comments/in /by

Fastener (pengikat) adalah perangkat yang menahan dua atau lebih benda bersama-sama. Fastener bisa berupa baut dan mur, sekrup, paku keling, atau bahkan staples. Namun, sebagian besar pengencang digunakan dalam industri adalah pengencang berulir. Pengencang tersebut digunakan untuk menggabungkan elemen individu dengan cara yang aman dan murah yang dapat dirakit dan dibongkar sesering yang diperlukan.

Pengikat berulir (misalnya, baut/sekrup) adalah pengencang yang sebagian memiliki beberapa bentuk dari ulir sekrup. Baut/sekrup terdiri dari shank dan kepala. Batangnya berulir, baik untuk sebagian dari panjangnya atau untuk panjang penuh dari ujung ke kepala. Baut yang lebih panjang adalah biasanya hanya berulir sebagian. Tidak perlu membuat ulir lebih lama dari yang diperlukan karena ini hanya akan membuat baut lebih mahal. Gambar berikut menunjukkan nomenklatur pengencang berulir.

threaded fastener
Nomenklatur Threaded Fasterners. Sumber: https://practicalmaintenance.net/wp-content/uploads/Fundamentals-of-Threaded-Fasteners.pdf

Jenis Kepala Baut

Standard Hexagon-head Bolt

Hexagonal-head bolt

Gambar di atas adalah gambar baut kepala segi enam (hexagon-head) standar. Titik konsentrasi tegangan berada di fillet, di awal ulir (runout), dan di akar ulir fillet di dalam bidang mur jika ada. Diameter muka washer sama dengan lebar di seluruh bidang segi enam. Panjang ulir baut seri inci, di mana d adalah diameter nominal, adalah

nominal diameter
Rumus Panjang Ulir

Dimensi dihitung dalam milimeter. Panjang baut yang ideal adalah yang hanya satu atau dua ulir menonjol dari mur setelah dikencangkan. Lubang baut mungkin memiliki gerinda atau tepi tajam setelah pengeboran. Hal ini bisa menggigit fillet dan meningkatkan konsentrasi tegangan. Karena itu, washer harus selalu digunakan di bawah kepala baut untuk mencegah ini. Bahannya harus dari baja hardened (yang dikeraskan) dan dimuat ke baut sehingga tepian bulat dari lubang yang dicap bertemu washer dari baut. Terkadang itu perlu menggunakan washer di bawah mur juga.

tabel-dimensi-baut-hexagonal-dan-persegi
tabel dimensi baut hexagonal dan persegi

Socket Head Cap Screw

Socket Head Cap-screw :
(a) fillister head; (b) flat head;
(c) hexagonal socket head.

Machine Screw

Macam-macam Machine Screw

Desain screw dengan FEA

umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada screw adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain screw. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.

https://practicalmaintenance.net/wp-content/uploads/Fundamentals-of-Threaded-Fasteners.pdf (diakses pada tanggal 7 Desember 2021)

Teori Mekanik Power Screw

/2 Comments/in /by

Power Screw adalah perangkat yang digunakan dalam mesin untuk mengubah gerakan sudut menjadi gerak linear, dan, biasanya untuk mentransmisikan daya. Aplikasi yang familiar dari alat ini adalah sekrup utama mesin bubut, dan sekrup pada vises, pengepres, dan dongkrak.

Kesetimbangan Gaya

Diagram Gaya Power Screw saat menaikkan beban dan menurunkan beban.

Gambar diatas adalah power screw ulir persegi dengan ulir tunggal memiliki rata-rata diameter dm , pitch p, sudut lead λ , dan sudut heliks ψ yang dibebani oleh gaya tekan sumbu aksial F. Untuk menaikkan beban, gaya PR bekerja ke kanan (Gambar a), dan untuk menurunkan beban, PL bekerja ke kiri (Gambar b). Gaya gesekan adalah hasil kali koefisien gesekan f dengan gaya normal N, dan bertindak untuk melawan gerakan. Sistem dalam keadaan setimbang pada aksi gaya-gaya ini. Kesetimbangan gaya untuk menaikkan beban adalah

ΣFx = PR – N sin λ – f N cos λ = 0
ΣFy = -F – f N sin λ + N cos λ = 0

Sementara untuk menurunkan beban kesetimbangan gayanya dapat dirumuskan menjadi

ΣFx = – PL – N sin λ + f N cos λ = 0
ΣFy = – F + f N sin λ + N cos λ = 0

Beban dan Torsi

Kita dapat menghilangkan N dari masing-masing rumus untuk mencari beban P. Beban naik dapat dirumuskan menjadi

PR = [F (sin λ + f cos λ)] / (cos λ – f sin λ) ; sedangkan untuk beban turun PL = [F (f cos λ – sin λ)] / (cos λ + f sin λ)

Selanjutnya, bagi pembilang dan penyebut persamaan ini dengan cos λ dan gunakan hubungan tan λ = l / πdm . Lalu rumus di atas menjadi

PR = {F [ (l/πdm) + f ]} / [1 – (fl/πdm)] dan PL = {F [f – (l/πdm)]} / [1 + (fl/πdm)]

Akhirnya, perhatikan bahwa torsi adalah produk dari gaya P dan jari-jari rata-rata dm/2, untuk menaikkan beban kita bisa merumuskan menjadi

TR = (Fdm/2) [(l + fπdm) / (πdm – fl)]

di mana TR adalah torsi yang diperlukan untuk dua tujuan: untuk mengatasi gesekan ulir dan untuk menaikkan beban. Torsi yang diperlukan untuk menurunkan beban adalah

TL = (Fdm/2) [(fπdm – l) / (πdm + fl)]

Self-locking Conditions

Jika torsi penurun negatif, beban akan menurunkan dirinya sendiri dengan menyebabkan sekrup berputar tanpa gaya eksternal. Jika torsi penurun positif, sekrup mengunci sendiri (self-locking) atau fπdm > 1. Sekarang bagi kedua ruas pertidaksamaan ini dengan dm . Karena l/πdm = tan λ, kita dapatkan f > tan λ. Relasi ini menyatakan bahwa self-locking diperoleh setiap kali koefisien gesekan ulir sama atau lebih besar dari tangen sudut ujung ulir (lead).

Efisiensi Power Screw

Efisiensi juga berguna dalam evaluasi power screw. Jika kita membiarkan f = 0 dalam Persamaan TR, kita peroleh

T0 = Fl/2π

karena gesekan ulir telah dihilangkan, torsi yang diperlukan hanya untuk menaikkan muatan. Oleh karena itu, efisiensinya adalah

e = T0/TR = Fl/2πTR

Gesekan Pada Collar

Thrust Collar

Biasanya komponen torsi ketiga harus diterapkan dalam aplikasi power screw. Ketika sekrup dimuat secara aksial, bantalan dorong atau collar (kerah ulir) harus digunakan antara komponen yang berputar dan komponen stasioner untuk memikul komponen aksial. Gambar di atas menunjukkan collar dorong khas di mana beban diasumsikan terkonsentrasi di diameter collar rata-rata dc. Jika fc adalah koefisien gesekan collar, torsi yang dibutuhkan adalah

Tc = Ffcdc/2

Untuk collar besar, torsi mungkin harus dihitung dengan cara yang mirip dengan disk clutch.

Tegangan Pada Power Screw

Geometri ulir persegi berguna dalam menemukan bending dan tegangan geser transversal pada akar ulir.

Tegangan bodi nominal pada power screw dapat dikaitkan dengan parameter ulir sebagai berikut. Tegangan geser nominal maksimum dalam torsi pada sekrup dapat dinyatakan sebagai

τ = 16T/ πd3

Tegangan aksial pada badan sekrup akibat beban F adalah

σ = F/A = 4F/ πdr2

Desain power screw dengan FEA

umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada power screw adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain power screw. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.