LAPORAN PRAKTIKUM KOMPOSIT
MATLAB
Disusun oleh :
Nurul Fajriah (121221051)
2B-Aeronautika
Laboratorium Struktur Pesawat Udara
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2013
Pendahuluan
Kebutuhan akan material yang memiliki sifat yang sesuai akan kebutuhan, telah mendorong perkembangan teknologi bahan dengan sangat pesat. Salah satunya adalah komposit. Seiring dengan perkembangan teknologi material komposit, berkembang pula teknologi pengujian kekuatan mekanik material. Dimana pada saat ini pengujian kekuatan mekanik mulai meninggalkan pengujian secara eksperimental dan menuju kearah pengujian teoritis.
Dan dilihat pula pengaruh dari perubahan fraksi volume serat dan fiber serta perubahan sudut arah serat terhadap kekuatan tarik. Matlab dapat dijadikan sebagai alternatif uji tarik secara teoritis pada komposit lamina serat unidirectional serta didapatkan bahwa fraksi volume fiber dan matrik mempengaruhi kekuatan tarik pada komposit lamina serat unidirectional.
Tujuan
Mahasiswa mampu mengoperasikan MATLAB dan memanfaatkannya sebagai media perangkat untuk perhitungan komposit.
Mahasiswa dapat menyelesaikan soal-soal komposit dengan menggunakan system MATLAB.
Dasar Teori
Matlab
Matlab merupakan MATLAB (Matrix Laboratory) adalah bahasa tingkat tinggi dan interaktif yang memungkinkan untuk melakukan komputasi secara intensif. MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman yang canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan pengelolahan sinyal, aljabar linear dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB juga berisi toolbox yang berisi fungsi-fungsi tambahan untuk aplikasi khusus. Penggunaan MATLAB meliputi bidangbidang: Matematika, komputasi, pembentukan algoritma, akuisi data, pemodelan, prototype, simulasi, analisis data, exsplorasi, visualisasi, grafik keilmuan dan bidang rekayasa.
Matlab dikembangkan oleh MathWorks, yang pada awalnya dibuat untuk memberikan kemudahan mengakses data matrik pada proyek LINPACK dan EISPACK. Saat ini matlab memiliki ratusan fungsi yang dapat digunakan sebagai problem solver mulai dari simple sampai masalah-masalah yang kompleks dari berbagai disiplin ilmu.
3.2 Komposit
Material Komposit didefinisikan sebagai kombinasi dari material-material yang berbeda. Dengan tujuan tidak hanya mengkombinasikan property nya ( additive effect ), namun juga untuk menciptakan property yang baru ( synergetic effect ).
Tingkat bahan bakar yang digunakan oleh pesawat dan total emisi yang dihasilkan adalah tergantung dari tingginya berat total pesawat itu sendiri. Maka dari itu dari masa ke masa para peneliti berusaha untuk menemukan bahan yang lebih ringan. Dan ditemukan lah material komposit yang dianggap lebih tahan korosi dibandingkan dengan aluminium dan lebih ringan pula.
Pesawat pertama yang terbang dengan menggunakan material komposit adalah pesawat F-14 buatan Grumman, dengan menggunakan material komposit ( fiber-boron) pada kotak stabilisator horizontal . Pada perkembangan selanjutnya, material komposit mulai diterapkan pada bagian – bagian pesawat lainnya. Pengurangan berat dengan menggunakan material komposit bisa mencapai 15% – 20%.
Dalam banyak kasus, reinforcement lebih kuat, keras dan kaku daripada matrix. Reinforcement biasanya adalah berupa serat fiber. Serat fiber memiliki panjang yang sangat besar dibandingkan diameternya. Rasio l/d (length-to-diameter) disebut sebagai aspek rasio dan dapat berubah-ubah dengan perubahan yang sangat besar. Continuous fibers memiliki aspek rasio yang panjang sedangkan discontinuous fibers memiliki aspek rasio yang pendek.
Tipe-tipe Reinforcement Khusus
Material Isotropic, Anisotropic, dan Orthotropic
Material dapat digolongkan sebagai isotropic atau anisotropic. Material Isotropic memiliki sifat-sifatmaterial yang sama di semua arah serta beban normal hanya menyebabkan regangan normal. Sebagai perbandingan, material anisotropic memiliki sifat-sifat material yang berbeda di semua arah pada titik tertentu. Bidang material yang simetri dan beban normal tidak menyebabkan regangan normal dan regangan geser.
Ketika serat fiber sejajar (0°) atau tegak lurus (90°) terhadap arah tegangan yang diterima laminanya disebut sebagai lamina orthotropic spesial (θ =0° or 90°). Sedangkan lamina yang tidak sejajar atau tegak lurus terhadap arah tegangan yang diterima disebut sebagai lamina orthotropic general (θ 0° or 90°).
Stiffness in 1-direction = stiffness in 2-direction = stiffness in any direction
Stiffness in 1-direction stiffness in 2-direction stiffness in other direction
Perbedaan antara isotropic dan orthotropic
Generally orthotropic lamina
Keuntungan Komposit Dibandingkan Metal :
Ringan
Tahan terhadap korosi
Ketahanan tinggi terhadap cacat fatigue
Mengurangi proses permesinan
Bentuk tapered dan kontur compound mudah direalisasi
Fiber dapat diarahkan untuk memenuhi arah pembebanan
Mengurangi jumlah part assemblies dan fastener
Menyerap gelombang micro radar (stealth capability)
Muai panas mendekati nol sehingga mengurangi permasalahan thermal pada penggunaan outerspace.
Kerugian Komposit Vs Metal .
Harga material yang mahal .
Lack of established design allowables .
Permasalahan korosi dapat ditimbulkan oleh adanya pasangan yang tidak benar dengan metal, khusunya ketika carbon atau graphite (penting untuk di sealing) .
Penurunan properti struktural oleh pengaruh temperatur yang ekstreme dan kondisi. kelembaban .
Lemah dalam penyerapan energi dan cacat impact .
Memerlukan perlindungan terhadap petir .
Metode inspeksi yang mahal dan rumit .
Reliable detection of substandard bonds is difficult.
Deteksi dapat mengetahui keberadaan cacat namun sulit menentukan dengan tepat .
Komposit didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam, fiber atau serat ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong kemudian dicampur secara acak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-ply laminae), dan lainnya.
Menurut bentuk material penyusunnya, komposit dapat dibedakan menjadi lima jenis, (M.M Schwartz, 1984) yaitu :
1. Komposi serat (Fibrous composite)
2. Komposi laminat (Laminate composite)
3. Komposi sketal (Filled)
4. Komposi serpih (Flake)
5. Komposi partikel (Particulate composite)
Lembaran komposit disebut sebagai lamina, Serat yang dipakai seperti di industri pesawat terbang biasanya terbuat dari karbon dan gelas, sedangkan resinnya adalah epoxy, sejenis polimer. Tebal lamina untuk komposit serat karbon adalah 0.125 mm. Komposit karbon/epoxy ini dibuat dari pre-impregnation ply atau pre-preg.
Komposit memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari logam, kekakuan jenis (modulus Young/density) dan kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi serat yang berbeda, gabungan lamina ini disebut sebagai laminat.
Komposit dibentuk dari dua jenis material yang berbeda, yaitu:
1. Penguat (reinforcement), yang mempunyai sifat kurang ductile tetapi lebih rigid serta lebih kuat, dalam penelitian kali ini penguat komposit yang digunakan yaitu dari serat glass.
2. Matriks, umumnya lebih ductile tetapi mempunyai kekuatan dan rigiditas yang lebih rendah.
Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang digunakannya, yaitu :
1. Fibrous Composites ( Komposit Serat ) Merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat / fiber. Fiber yang digunakan bisa berupa glass fibers, carbon fibers, aramid fibers (poly aramide), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman.
2. Laminated Composites ( Komposit Laminat ) Merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri.
3. Particulalate Composites ( Komposit Partikel ) Merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya.
Material komposit bisa di beri gaya (kompresi maupun Tension) dengan cara isostrain ( searah serat) dan Isostress ( tegak lurus dengan serat)
Isostrain
Beban yang dikenakan pada komposit (Pc) terbagi menjadi 2 fase, yaitu menjadi Pc = Pf + Pm, dan baik itu regangan fiber ataupun regangan matrix nya sama dengan regangan komposit, εc = εf = εm (ini adalah kondisi isostrain). sebagaimana kita ketahui sebelumnya bahwa stress = load/area, maka :
Rumus ini dinamakan sebagai Voigt estimate, tapi lebih familiar dengan sebutan the rule of mixture
Isostress
Model isostress menyatakan bahwa, σc = σf = σm. total perpanjangan dari model adalah jumlah dari perpanjangan 2 komponen (fiber dan matrix) :
Rumus ini dinamakan Reuss estimate, kadang-kadang disebut dengan the inverse rule of mixtures dimana :
Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu :
Alat dan Bahan
Komputer / Laptop
Software Matlab
Langkah untuk memulai bekerja dengan menggunakan software MATLAB
1. Instal matlab pada PC/Laptop.
2. Buka matlab yang sudah terinstal dengan baik.
3. Klik file new serta M-file pada Matlab untuk membuat halaman baru.
4. Simpan halaman baru yang sudah terisi tugas yang akan digunakan.
5. Setelah itu klik tool dan run.
Soal dan Pembahasan
50 Mpa
50 Mpa
100 Mpa
An element of a balanced authotropic graphite / epoxy lamina is under the state stress shown in figure 2.13 if the properties of the woven graphite fabric/ epoxy material are E1 = 70 Gpa , bilangan poison = 0,25 and G1,2 = 5 Gpa. Determine all the strains along the fiber directions.
ANALISIS
Untuk memudahkan perhitungan dilakukan dengan menggunakan software "matlab".
Berdasarkan permasalahan diatas, dapat disimpulkan bahwa ada beberapa hal yang diketahui yaitu ;
G = 5 GPa
Bilangan Poison = 0,25
E = 70 GPa
εx = -50 GPa
εy = 100 MPa
τ = 50 MPa
Ө = 30o
Langkah pertama adalah mencari tegangan dan tegangan geser pada arah 1 dan 2. Sebagaimana kita lihat keterangan dibawah ini ;
Untuk mengetahui tegangan pada arah 1 dan 2, maka kita harus menggunakan rumus :
Namun dikarenakan komposit diputar dengan sudut tertentu, Maka tegangan harus dikali dengan transformasinya.
Maka;
setelah diketahui tegangan arah 1 dan 2, maka akan diketahui regangan arah 1 dan 2, dengan menggunakan rumus dasar yaitu ;
Sehingga;
Dimana;
Setelah diketahui regangan arah 1,2 maka tinggal mencari regangan arah x,y. yaitu dengan cara mengkalikan invers T dengan tegangan arah 1 dan 2.
Menggunakan rumus :
Perhitungan dan Pengolahan Data
Untuk memulai perhitungan dalam matlab kita harus mulai dengan beberapa tahap yaitu :
E1 = E2, karena kompositnya jenis woven sehingga baik ditarik secara isostrain maupun isostress tetap fiber yang tertarik
Sudut, harus berupa radian. Maka dirubah menggunakan rumus :
thetar=(theta(j)/180)*pi;
Kekakuan / Stiffness (S), adalah maka;
Sehingga ;
Sehingga akan didapatkan Kurva Regangan terhadap fungsi Sudut Theta
Kesimpulan
Program MATLAB sangat memudahkan kita dalam menghitung regangan , tegangan dan kekakuan suatu material dalam komposit dari yang sederhana hingga yang rumit. Dengan MATLAB pula dengan mudah mendapatkan grafik regangan terhadap fungsi sudut theta , dari hasil perhitungan diatas dengan menggunakan software MATLAB didapatkan hasil bahwa pada G = 5 GPa ,bilangan Poison = 0,25, E = 70 GPa , εx = -50 GPa , εy = 100 MPa , τ = 50 MPa dan Ө = 30o akan menghasilkan grafik fungsi regangan terhadap sudut theta dengean sudut lay up komposit (x= 56.3 , y = 0.0007731). Perubahan sudut arah serat pada mempengarui kekuatan tarik komposit lamina serat unidirectional. Modulus Elastisitas, Ultimate Tensile Strength dan Poisson's Ratio terbesar didapat pada sudut 0 pada semua fraksi volume. Dan untuk modulus geser terbesar didapat pada sudut 45 pada semua fraksi volume.
Daftar Pustaka
Bintoro, Carolus.2010. Teknologi Material Komposit.Politeknik Negeri Bandung : Bandung
http://jamal-mc.blogspot.com/2012/07/normal-0-false-false-false-in-x-none-x.html
http://wibawaindra.files.wordpress.com/2010/12/matlab.jpg?w=300&h=300
http://digilib.its.ac.id/ITS-NonDegree-21002130000431/25093
