Embed Size (px)
Citation preview
BAB 1
PENGENALAN
1.1 Latarbelakang
Kerusi merupakan sebuah perabot untuk duduk, menyandarkan belakang,
meletakkan tangan, dan amnya digunakan oleh seorang sahaja. Kerusi juga mempunyai
empat kaki untuk menyokong tempat duduk di atas lantai. Tanpa tempat bersandar dan
tempat meletakkan tangan ia dikenali sebagai bangku. Kerusi untuk tempat duduk lebih
dari seorang adalah seperti sofa, bangku panjang, settee, couch, loveseat, atau recliner.
Kerusi yang terdapat dalam kereta atau panggung wayang turut dipanggil sebagai tempat
duduk. Perabot kerusi biasanya boleh digerakkan atau dipindahkan. Tempat bersandar
sesebuah kerusi kebiasaannya tidak ditutup sepenuhnya untuk membolehkan
pengudaraan. Terdapat juga tempat bersandar kerusi diperbuat daripada bahan yang
berongga-rongga atau terdapat lubang untuk tujuan perhiasan dan pengudaraan.
Seperti yang sedia kita maklum, kerusi mempunyai kegunaannya yang tersendiri
dan mengikut kesesuaian yang ditetapkan. Contohnya kerusi di perhentian bas, kerusi di
kedai makan, kerusi di perpustakaan, kerusi di sekolah, kerusi di majlis, dan sebagainya
mempunyai kegunaan yang berlainan. Kerusi tersebut haruslah digunakan ditempat yang
sesuai dengan tempat, situasi, atau acara untuk tujuan keselesaan pengguna.
1
1.2 Pernyataan Masalah
Daripada pemerhatian yang dilakukan terdapat banyak kerusi kegunaan pelajar di
bilik-bilik kuliah yang telah rosak. Oleh itu, kajian ini dijalankan bagi mengenalpasti
punca-punca kegagalan dan mencadangkan penambahbaikan ke atas struktur kerusi
tersebut.
1.3 Objektif Kajian
Objektif bagi kajian ini adalah untuk menyiasat kegagalan yang berlaku pada
struktur kerusi kegunaan pelajar di UTeM dan mencadangkan penambahbaikan.
1.4 Skop Kajian
1. Mengkaji struktur kerusi kegunaan pelajar di UTeM.
2. Mengenalpasti bahagian yang kritikal pada kerusi apabila dikenakan beban.
3. Melakukan analisis kegagalan statik secara teori.
4. Melakukan analisis kegagalan statik dengan menggunakan perisian MSC
NASTRAN/PATRAN.
5. Melakukan analisis kegagalan lesu pada komponen kerusi yang berkaitan.
6. Analisis keputusan dan kesimpulan.
2
1.5 Kepentingan Kajian
Kajian ini akan dapat memperluaskan lagi pemahaman terhadap struktur sebuah
kerusi dan bagaimana nilai kekuatan yang diperolehi boleh dinilai ketepatannya. Selain
itu, kajian ini dapat menilai jangka hayat kerusi apabila beban dikenakan berkali-kali.
Perbezaan hasil ujian yang didapati boleh difahami dengan jelas puncanya dengan
menenalpasti titik genting kegagalan pada kerusi tersebut.
3
BAB 2
KAJIAN ILMIAH
STRUKTUR KERUSI
2.1 Pengenalan
Dalam kajian ilmiah ini membincangkan tentang kekuatan bahan kerusi yang
digunakan dan faktor-faktor yang mempengaruhi kegagalan kerusi pelajar. Pemahaman
mengenai sifat kekuatan pada bahan kerusi akan memudahkan bagi menganalisis
kegagalan struktur kerusi secara statik. Manakala pemahaman bagi faktor-faktor yang
mempengaruhi kegagalan kerusi pelajar pula akan membolehkan kita membuat
anggapan di mana titik genting kegagalan pada sesebuah kerusi. Di dalam bab ini juga,
semua aspek menjadi maklumat yang berguna harus dikaji dan diselidiki. Pelbagai
maklumat dan aspek harus dikumpulkan bagi memulakan sesuatu analisis.
Maklumat-maklumat mengenai kajian berkenaan syarikat-syarikat pengeluar
kerusi pelajar dan tesis PSM diperolehi melalui sistem komputer iaitu internet
sepenuhnya. Di samping itu maklumat-maklumat tersebut turut diperolehi daripada
Pejabat Pembangunan UTeM dan perpustakaan UTeM bagi mendapatkan sumber
rujukan mengenai kerusi pelajar yang tersedia ada dan buku-buku rujukan dan jurnal
yang berkaitan bagi sokongan kajian ini.
4
2.2 Definasi kerusi
Menurut Kamus Dewan, kerusi didefinisikan sebagai tempat duduk yang
mempunyai kaki dan tempat bersandar (dan biasanya juga mempunyai tempat
meletakkan tangan). Manakala menurut MACMILLAN English Dictionary, kerusi
didefinisikan sebagai sebuah perabot bagi seseorang untuk duduk, dengan tempat
bersandar, kaki, dan kadangkala dengan dua tempat meletakkan tangan.
2.3 Jenis-Jenis Kerusi
Terdapat pelbagai jenis struktur kerusi untuk kegunaan pelajar di UTeM. Berikut
adalah jenis-jenis kerusi pelajar:-
a) Kerusi pelajar dengan meja
Spesifikasi : a) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)
b) Berwarna biru gelap
c) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)
5
d)Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang
b) Kerusi pelajar dengan meja
Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)
b) Berwarna kuning cair
c)Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang
d) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)
c) Kerusi pelajar dengan meja
Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)
6
b) Berwarna biru cair
c) Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang
d) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)
d) Kerusi pelajar dengan meja
Spesifikasi: a) Diperbuat daripada plastik (polypropylene)
b) Berwarna biru gelap
c) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)
d) Bingkai kerusi diperbuat daripada keluli lembut jenis geronggang
e) Kerusi Menunggu
7
Spesifikasi: a) Terdapat tiga kerusi tersedia
b) Diperbuat daripada bahan plastik (polypropylene)
c) Mempunyai meja jenis papan serpihan (chip board)
d) Berwarna biru gelap
2.4 Statistik Kerosakan
Berikut merupakan statistik kerosakan kerusi pelajar di UTeM:-
Jadual 2.1: Statistik kerosakan kerusi di UTeM
Tempat Bilangan
Kerosakan
Jenis Kerosakan
1 Bilik Taklimat 1 14 - Engsel pada meja kerusi tercabut
8
2 Bilik Taklimat 2 44
-Engsel pada meja kerusi tercabut
3 Bilik Kuliah 2 1 - Kerosakan pada kaki kerusi
9
4
Makmal
Measurement &
Instrumentation
2
- Kerosakan pada kaki kerusi
i)
ii)
10
Berdasarkan statistik kerosakan kerusi pelajar di atas kebanyakkan jenis
kerosakan adalah pada engsel meja dan juga pada bingkai kaki kerusi. Di mana engsel
pada meja yang tercabut dan bingkai kaki kerusi yang patah terutama yang berdekatan
dengan sambungan yang dikimpal. Antara punca yang menyebabkan jenis kerosakan ini
mungkin adalah disebabkan oleh perbuatan pelajar itu sendiri contohnya perbuatan
vandalisme. Selain itu, penggunaan yang terlalu kerap dan digunakan dalam tempoh
yang lama turut menjadi punca berlakunya kerosakan terutamanya pada kerusi yang
telah karat pada bahagian tertentu.
Oleh kerana skop kajian yang dijalankan hanya tertumpu kepda kerosakan secara
mekanikal atau yang disebabkan oleh kegagalan lesu maka kerusi yang dikaji adalah
pada jenis kerosakan di mana bingkai kaki kerusi yang patah. Maka struktur kerusi yang
akan dikaji adalah jenis kerusi pelajar dengan meja.
11
2.5 Struktur dan Komponen Kerusi
Berikut merupakan spesifikasi kerusi yang dikaji:-
Rajah 2.1: Spesifikasi kerusi yang dikaji
12
Rangka badan
Tempat Duduk
Meja tulis
2.6 Ciri-ciri Bahan Kerusi yang Dikaji
Jadual berkala terdapat 103 unsur-unsur. Bagaimanapun, satu jumlah bahan-
bahan yang besar adalah mungkin apabila ini digabungkan dalam pelbagai pecahan-
pecahan sebagai sebatian-sebatian. Banyak usaha ahli-ahli sains bahan dan jurutera
menumpukan bagi mendapatkan resepi-resepi khususnya daripada hasil sebatian-
sebatian itu dengan struktur molekul, sehingga mengakibatkan satu profil yang dipanggil
ciri-ciri. Bahan-bahan kerusi yang dikaji meliputi termoplastik, besi lembut, dan papan
serpihan.
2.6.1 Termoplastik (polypropylene)
Polimer termoplastik adalah bahan yang boleh dilembutkan menerusi pemanasan
dan dikeraskan menerusi penyejukkan secara berulang kali. Termoplastik merupakan
bahan yang fleksibel, penebat suhu dan elektrik, tahan impak, ringan, sensitif pada suhu,
lembut, dan tahan kakisan. Bahan ini juga kukuh dari ciri-ciri mekanikalnya iaitu
mempunyai kekuatan alah (32MN/m²), modulus kekenyalan (3300 MN/m²), mudah
dibentuk dengan menggunakan proses penyuntikan plastik dengan takat lebur (88ºC).
Apabila terdapat ikatan silang yang pesat, polimer menjadi tegar dan tidak boleh
dibentuk bila dihabakan. Komponen dalam kerusi bagi bahan ini adalah tempat duduk
kerusi.
13
2.6.2 Besi lembut (mild steel)
Besi lembut adalah bentuk besi yang paling umum dan harganya adalah murah dan
ia menyediakan ciri-ciri bahan yang boleh diterima dalam pelbagai aplikasi.Besi lembut
mempunyai kandungan karbon yang rendah (lebih 0.3%) dan ianya bukan terlalu rapuh
atau mulur. Ia mudah dibentuk apabila dipanaskan, maka ia boleh ditempa. Ianya juga
selalu digunakan di mana kuantiti besi yang besar perlu dibentuk, contohnya seperti
struktur besi. Ketumpatan bagi besi ini ialah 7,861.093 kg/m³, kekuatan tegangan adalah
maksimum 500MPa dengan modulus Young 210GPa.
2.6.3 Papan serpihan (chip board)
Papan serpihan produk papan kejuruteraan dikeluarkan dari kilang partikel kayu,
seperti serpihan-serpihan kayu, pengetaman kilang papan, atau juga abuk gergaji, dan
resin sintetik atau ikatan sesuai yang lain yang ditekan dan dilemparkan. Papan serpihan
merupakan jenis papan gentian iaitu sejenis bahan komposit, namun ianya diperbuat
daripada kepingan papan yang besar daripada papan gentian dengan ketumpatan
medium dan papan keras.
14
BAB 3
KAJIAN ILMIAH
ANALISIS KEGAGALAN
3.1 Pengenalan
Definisi kegagalan adalah mana-mana perubahan pada bahagian mesin yang
membuatkan ia tidak dapat menunjukkan fungsi tersendiri. Seperti yang diketahui,
terdapat dua jenis kegagalan iaitu kegagalan statik dan kegagalan lesu. Kajian ini hanya
tertumpu kepada dua jenis kegagalan tersebut. Kebiasaannya kriteria kekuatan alah
digunakan untuk bahan-bahan mulur. Teori kegagalan mulur adalah berdasarkan alah
(yield).
3.2 Kegagalan Statik
Kegalan statik disebabkan oleh tindakan beban pegun atau beban yang bertindak
sekali sehingga sesuatu komponen gagal seperti ujian tegangan. Tegangan yang melebihi
kekuatan sesuatu bahan menyebabkan bahagian tersebuat gagal. Rajah 3.1 menunjukkan
tegasan-terikan bagi keluli struktur biasa dalam tegangan tidak mengikut skala
15
Rajah 3.1: Gambarajah tegasan-terikan bagi keluli struktur biasa dalam tegangan
tidak mengikut skala
(Sumber: Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P., 1997)
3.2.1 Teori Kegagalan Statik
Antara teori-teori yang digunakan untuk kegagalan :
a) Teori tegasan normal maksimum untuk bahan rapuh
Kegagalan berlaku pada suatu struktur komponen yang dikenakan dengan
beban dengan tegasan utama yang terhasil melebihi nilai tegasan alah sesuatu
bahan.
Kegagalan berlaku apabila di mana σy: tegasan alah
16
b) Teori tegasan ricih maksimum
Kegagalan berlaku apabila tegasan ricih maksimum lebih besar daripada
tegasan maksimum ricih yang terhasil dalam ujikaji tegangan mudah pada bahan
pada alah.
Apabila maka kegagalan berlaku
Di mana σy: tegasan alah
c) Teori tenaga herotan ( Teori Von Mises) untuk bahan mulur
Kegagalan akan berlaku pada struktur komponen sekiranya tenaga
herotan per unit isipadu lebih besar daripada tenaga yang berlaku semasa ujikaji
tegangan bahan pada alah.
dan
3.2.2 Contoh- Contoh Kegagalan Statik
17
Antara contoh yang membawa kepada kegagalan statik adalah apabila sesuatu
mesin digunakan melebihi had yang telah ditetapkan. Contohnya pada sebuah lif. Sistem
pada lif telah menetapkan jumlah berat penumpang yang mampu ditampung. Namun
sekiranya ianya melebihi had tampung maka lif akan rosak.
Selain itu kegagalan statik pada sebuah kren turut boleh berlaku sekiranya beban
yang dikenakan pada pemberat melebihi had kekuatan alah pada tali kren tersebut, dan
menyebabkan tali pada kren putus.
3.3 Kelesuan
Kelesuan adalah satu bentuk kegagalan yang berlaku pada struktur yang
dikenakan atau mengalami tegasan dinamik dan turun-naik (contoh: jambatan,
kapalterbang, dan komponen mesin). Di bawah keadaan sedemikian adalah mungkin
kegagalan berlaku pada tahap tegasan yang lebih rendah dari kekuatan tegangan atau
kekuatan alah untuk beban statik. Sebutan “lesu” digunakan adalah kerana kegagalan
jenis ini biasanya berlaku selepas bahan mengalami kitaran tegasan atau terikan yang
berulang-ulang pada jangka masa yang panjang. Kelesuan adalah penting kerana ia
adalah penyebab utama yang terbesar kegagalan dalam logam, dianggarkan sumbangan
kelesuan adalah 90% dalam semua kegagalan logam; polimer dan seramik juga boleh
mengalami kegagalan jenis ini. Kelesuan adalah sejenis kegagalan yang merbahaya dan
tersembunyi yang berlaku secara tiba-tiba tanpa sebarang amaran (Aziz A. dan Bahrin
S., 1999).
18
Kegagalan lesu adalah keupayaan satu bahan untuk menjalani beberapa kitaran
beban (load cycle) tanpa pematahan. Pengukuran kegagalan lesu adalah had ketahanan,
di mana tekanan pada keluli patah apabila dikenakan ribuan atau jutaan kali beban.
Kegagalan lesu mempunyai tabii kegagalan rapuh walupun dalam logam yang
biasanya mulur kerana tiada atau jika ada, amat sedikit ubah bentuk plastik yang besar
berkaitan dengan kegagalan jenis ini. Proses kelesuan berlaku dengan permulaan retak-
lesu dan diikuti oleh perambatan retak-lesu, dan biasanya permukaan patah adalah
serenjang kepada arah tegasan tegangan yang dikenakan.
3.3.1 Gambar Rajah S-N
Seperti sifat mekanik, sifat lesu bahan boleh ditentukan dari ujian simulasi
makmal. Ujian tersebut perlu direka supaya ia menyerupai sehampir mungkin keadaan
tegasan perkhidmatan yang akan dihadapi bahan berkenaan dari segi tahap tegasan,
frekuensi masa, corak tegasan, dan sebagainya. Satu gambar rajah skema untuk ujian
putar-lentur yang biasa digunakan untuk ujian lesu ditunjukkan dalam Rajah 3.2; tegasan
mampat dan tegangan dibebankan serentak semasa ia dilentur dan diputar. Ujian juga
kerapkali dijalankan menggunakan kitar tegasan tegangan-mampatan ekapaksi
berselang-seli (Aziz, A. dan Bahrin, S., 1999).
Plot bagi Tegasan(S) lawan nombor kitar (N) diperlukan untuk menyebabkan
kegagalan bagi spesimen dalam ujikaji lesu. Data bagi setiap lengkung pada gambar
rajah S-N diperolehi dengan menetapkan jangka hayat lesu (fatigue life) bagi spesimen
tertakluk kepada pelbagai jumlah turun naik tegasan. Paksi tegasan tersebut boleh
19
mewakili amplitud tegasan, maksimum tegasan atau minimum tegasan. Satu skala log
hampir kerap digunakan bagi skala N dan kadangkala pada skala S.
(a)
(b)
Rajah 3.2: Amplitud tegasan (S) melawan logaritma bilangan kitar ke gagal lesu
(N) untuk (a) bahan yang mempamerkan had lesu (b) bahan yang
tidak mempamerkan had lesu
(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S., 1999)
20
Kekuatan lesu (Sf) bermula apabila nilai Sut pada N=0 dan menurun secara
logaritma dengan peningkatan kitar.
Dalam sestengah bahan pada kitar 106 – 107, gambar rajah S-N dalam dataran
tinggi (plateaus) dan kekuatan lesu seterusnya menjadi tetap. Dataran tinggi ini dikenali
sebagai limit daya tahan (Se) dan sangat penting kerana tegangan di bawah limit ini akan
menyebabkannya dikitar tanpa menyebabkan kegagalan lesu.
Kekuatan lesu atau limit daya tahan (Se) selalunya diambilkira melalui ujikaji
bahan standard (contohnya, ujikaji rasuk berputar). Namun, ianya haruslah diubahsuai
untuk mengambilkira perbezaan fizikal dan suasana di antara ujikaji bahan kerja dan
bahagian sebenar dianalisis:
Sf (or Se) = Ksurface Ksize Kload Ktemperature Kreliability Sf’ (or Se’)
Sf (atau Se) = kekuatan sebenar
Sf’ (atau Se’) = kekuatan yang didapati dari ujikaji standard
3.3.2 Tegasan Berkitar
Menurut Azizan Aziz dan Shamsul Bahrin (1999), tegasan berkitar mungkin
berbentuk atau mempunyai tabii berpaksi (tegangan-mampatan), lenturan atau kilasan.
Secara am terdapat tiga kemungkinan ragam/mod tegasan – masa turun naik yang
berbeza. Pertama, diwakili oleh satu tegasan yang malar dan berbentuk sinus bersandar
masa seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 3.3(a) dimana amplitudnya adalah simetri
21
merujuk kepada satu tahap tegasan purata sifar. Contohnya berselang-seli dari tegasan
tegangan maksimum (σmaks) kepada tegasan mampat minimum (σmin) dengan magnitud
yang sama. Ini dirujuk sebagai kitar balikan. Kedua, dikenali sebagai kitar tegasan
berulang seperti yang dipaparkan oleh Rajah 3.3(b); maksimum dan minimum tak
simetri relatif kepada tahap tegasan sifar. Ketiga, amplitud dan frekuensi paras tegasan
mungkin berubah secara rawak seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.3(c).
Rajah 3.3: Perubahan tegasan dengan masa yang menyebabkan kegagalan patah
(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S., 1999)
22
3.3.3 Contoh-Contoh Kegagalan Lesu
Terdapat banyak kegagalan yang disebabkan oleh kegagalan lesu. Kegagalan
yang disebabkan lesu boleh membawa bencana sekiranya tidak dikenalpasti dari awal
terutamanya untuk kegunaan pengangkutan penumpang seperti landasan keretapi,
pesawat kapal terbang, kereta, dan sebagainya. Adalah penting untuk kita mengenalpasti
kegagalan lesu yang terdapt pada sesuatu bahan untuk tujuan keselamatan.
Antara contoh fenomena yang disebabkan oleh kegagalan lesu adalah seperti
berikut:
a) Landasan keretapi yang disebabkan oleh berat keretapi
i) Kemalangan Keretapi Hatfield
Rajah 3.4: Kemalangan Keretapi Hatfield
(Sumber: BBC NEWS, Oktober 2000)
Kemalangan keretapi Hatfield merupakan kemalangan landasan keretapi yang
berlaku pada 17 Oktober 2000 di Hatfield, Hertfordshier, UK. Kajian mendapati bahawa
terdapat serpihan daripada landasan semasa keretapi melintasinya yang juga dikenali
23
sebagai ‘gauge corner cracking’. Keretakan tersebut adalah disebabkan oleh beban lebih
daripada roda di mana roda tersebut berhubung dengan permukaan landasan. Bebanan
yang berulangkali menyebabkan retak lesu semakin bertambah dan apabila ianya
mencapai saiz yang kritikal, maka landasan tersebut gagal secara terbahagi.
ii) Penggunaan kebuk tekanan
Rajah 3.5: Dandang bagi keretapi stim bersendi Merddin Emrys yang dibina
pada tahun 1879 dan masih digunakan untuk mengangkut
penumpang di sepanjang landasan keretapi tolok sempit Fetiniog di
Wales Utara
(Sumber: Ashby, M. F. dan Jones, D. R., 1980)
Menurut Ashby dan Jones (1980), bagi kebuk tekanan yang dikenakan beban
berkitar maka retak boleh membesar disebabkan lesu. Kebuk yang pada mulanya
diluluskan selamat mungkin akan menjadi tidak selamat kerana berlakunya pembesaran
24
retak ini. Tahap pertumbuhan retak boleh ditentukan melalui ujian lesu pada sekeping
keluli yang telah diretakkan dari jenis yang sama dengan yang digunakan untuk
membuat kebuk tekanan. Oleh itu, jangka hayat yang selamat bagi kebuk tekanan boleh
dianggarkan melalui kaedah yang digambarkan.
Dandang stim (Rajah 3.5) diuji dengan ujikaji tekanan dan ujian seumpama ini
selalunya dilakukan setahun sekali. Jika kegagalan tidak berlaku pada kebuk tekanan
dalam keadaan dua kali ganda tekanan kerja, makan tegasan guna biasa adalah setengah
(paling tinggi) daripada nilai tegasan yang diperlukan untuk menghasilkan patah segera.
Jika kegagalan sebenarnya berlaku semasa ujian hidraulik ini maka tidak ada sesiapa
pun yang akan mendapat kecederaan kerana tenaga yang tersimpan di dalam air yang
termampat adalah sangat kecil. Ujian berkala adalah penting kerana retak di dalam
dandang stim boleh membesar akibat lesu, kakisan, tegasan kakis dan lain-lain. Tatacara
ini selamat kerana retak di dalam kegunaan seumpama ini akan membesar secara
perlahan-lahan (Ashby, M. F. dan Jones, D. R., 1980).
b) Kemalangan kapal terbang
i) Cebu Douglas C-47 plane (Mt. Pinatubo)
Kemalangan kapal Cebu Douglas C-47 terjadi pada 17 Mac 1957 di Mount
Manunggal, Cebu, Filipina. Kajian mendapati bahawa terdapat kegagalan lesu pada besi
di mana sebuah drive shaft telah patah menyebabkan kegagalan kuasa pada board kapal
(Wikipedia).
25
ii) De Havilland Comet
Logam lesu menjadi kepekaan terhadap jurutera kapal terbang dalam 1954
setelah tiga penumpang daripada jet de Havilland Comet meletup di tengah udara dan
terhempas. Penyiasat daripada Royal Aircraft Establishment di Farnborough, England,
memberitahu bahawa penyiasatan umum yang mana penjuru tajam di sepanjang tingkap
pembukaan kapal (tingkap antena ADF kedepan di atap) ditunjukkan sebagai permulaan
bagi retak. Kulit permukaan bagi kapal terbang adalah terlalu nipis, dan retak daripada
tegangan – tegangan pembuatan wujud di penjuru tersebut. Kesemua tingkap kapal
terbang direka degan cepat degan penjuru bulatan.
iii) Aloha Airlines flight 243, Boeing 737-200
Rajah 3.6: Aloha Airlines flight 243, a Boeing 737-200, diambil pada April
28, 1988. Kegagalan pertengahan rangka kapal terbang adalah
disebabkan oleh kewujudan karat lesu
(Sumber: Steven Minkowski dan Gamma Liaison, 1988)
26
(c) Kegagalan lesu pada bar
Rajah 3.7: Kegagalan lesu bagi bar yang dibebaskan secara kitaran dalam tegangan;
keretakan tersevar secara beransur-ansur di keseluruhan keratan rentas
sehinggalah kegagalan berlaku secara mengejut
(Sumber: Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P., 1997)
3.3.4 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kegagalan Lesu
Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi kegagalan lesu. Faktor-faktor
tersebut haruslah dikaji lebih awal untuk tujuan keselamatan dan mengkaji jangka hayat
lesu. Antara faktor-faktor yang terlibat adalah seperti berikut:
a) Kemasan Permukaan
Semakin kasar, semakin mudah untuk gagal kerana keretakkan mudah
terjadi pada bahagian kasar.
27
Permukaan kasar menyebabkan tegangan pusat bagi benda-benda halus
(microscopic) yang mengurangkan kekuatan kesu. Tegasan baki secara
mampatan (compression residual stresses) boleh diterangkan dalam permukaan
dengan contoh shot peening untuk meningkatkan hayat lesu. Teknik tersebut
untuk membentuk tegangan permukaan sering dirujuk sebagai peening, sebarang
mekanisma yang digunakan untuk membentuk tegangan. Laser peening dan
rawatan hentakan ultrasonic (ultrsonic impact treatment) juga boleh membentuk
tegangan mampatan permukaan dan meningkatkan jangka hayat bagi komponen.
Pembaikkan ini biasanya dilihat hanya untuk kitar lesu tinggi.
b) Saiz butiran (grain size)
Bagi kebanyakkan logam, butiran alah (grain yield) yang lebih kecil maka
hayat lesu semakin panjang. Namun, kewujudan permukaan yang cacat atau
goresan akan menyebabkan kesan yang lebih besar daripada coarse grained
alloy.
c) Keboleharapan
Data yang diperolehi oleh sesuatu untuk komponen mengenai rekod
kegagalan.
28
d) Jenis bahan
Hayat lesu seperti sifat semasa kitaran beban adalah sangat berbeza bagi
bahan yang berbeza. Contohnya, komposit dan polimer berbeza dari segi bahan.
f) Penumpuan Tegasan, Kf
Beban terpumpun selalunya bertindak ke atas keluasan yang kecil dan
menghasilkan tegasan yang terlalu tinggi dalam kawasan yang kecil iaitu apabila
beban dikenakan pada sambungan pin. Bar juga biasanya mempunyai lubang
atau lain-lain perubahan dalam dimensi. Ketidaksekatan ini menghasilkan corak
tegasan yang tidak licin dan juga menyebabkan tegasan yang tinggi di kawasan
yang terlalu kecil. Tegasan setempat yang tinggi terhasil oleh lubang, alur,
takukan, alur kunci, bahu, ulir dan dan lain-lain perubahan bentuk secara
mendadak dan begitu juga tegasan tinggi terhasil daripada beban dan tindak balas
terpumpun, dikenali sebagai penumpuan tegasan atau kenaikan tegasan (Gere,
M.G. dan Timoshenko, S. P., 1997).
Tempat yang mempunyai penumpuan tegasan tinggi seperti lubang, lekuk,
pengecutan garis pusat lebih mudah untuk gagal.
Sekata
29
Pengecutan diameter
Takik
Lubang bulat
Rajah 3.8: Garisan beban pada beberapa jenis plat yang dikenakan beban paksi
g) Kesan Persekitaran
Menurut Aziz dan Bahrin (1999), faktor persekitaran juga akan
mempengaruhi perlakuan lesu bahan. Dua faktor kegagalan lesu berbantukan
persekitaran akan disentuh di sini secara kasar iaitu lesu haba dan lesu kakisan.
30
Lesu haba biasanya teraruh pada suhu ternaik oleh tegasan haba turun-naik;
tegasan mekanik dari sumber tidak semestinya wujud. Punca kepada tegasan-
tegasan haba ini adalah akibat kekangan kepada pengembangan dan/atau
pengecutan dimensi yang biasanya berlaku dalam bahagian struktur di bawah
keadaan suhu yang berubah-ubah. Magnitud tegasan haba yang mungkin
terbentuk oleh perubahan suhu ΔT adalah bersandar kepada pekali
pengembangan haba a1 dan modulus keanjalan E menurut persamaan
σ = a1 E ΔT
Kegagalan akibat tindakan serentak tegasan berkitar dan serangan kimia
dikenali sebagai lesu kakisan. Persekitaran mengakis mempunyai pengaruh yang
memudaratkan dan mengakibatkan hayat lesu yang pendek. Bahkan persekitaran
ambien biasa akan memberi kesan kepada perlakuan beberapa bahan. Lubang
kecil mungkin terbentuk hasil daripada tindakbalas kimia antara persekitaran dan
bahan. Lubang ini boleh menjadi titik penumpuan tegasan dan seterusnya sebagai
tapak penukleusan retak. Tambahan pula, kadar perambatan retak meningkat
akibat persekitaran mengakis. Tabii tegasan akan mempengaruhi perlakuan lesu.
Sebagai contoh, mengurangkan frekuensi aplikasi beban memanjangkan masa
pada mana retak terdedah kepada persekitaran dan memendekan hayat lesu.
Beberapa pendekatan untuk mencegah lesu kakisan wujud adalah seperti
menggunakan salutan, memilih bahan yang tahan kakisan serta mengurangkan
keupayaan mengakis persekiataran. Adalah baik juga meminimakan kegagalan
lesu biasa dengan mengurangkan tahap tegasan tegangan (Aziz A. dan Bahrin S.,
1999).
31
3.4 Kajian Terdahulu
Kajian terdahulu meliputi kajian-kajian yang berkaian dengan kajian yang
melibatkan kegagalan statik dan kegagalan lesu atau apa-apa yang berkaitan dengan
PSM yang dikaji. Tujuan mengkaji kajian-kajian terdahulu adalah untuk dijadikan
sebagai rujukan dan sebagai garis panduan dalam membuat kajian. Kajian yang
diperoleh adalah berdasarkan jurnal-jurnal terdahulu.
3.4.1 Beban momen pada sambungan paip oleh D. G. Moffat
Melalui artikelnya, membincangkan mengenai implikasi two run ends fixed
(TREF) untuk beban momen yang dikaji oleh Rodabough dan Moore. Menurutnya,
tegasan maksimum adalah pada bahagian penyambungan. Terdapat dua cara dalam
melakukan kajian di atas model two run end fixed, iaitu melalui kaedah ujikaji dan juga
melalui kaedah unsur terhingga.
Melalui ujikaji yang dilakukan oleh Moffat dan Mistry, beliau menimbangkan
tentang kesan beban ke atas sambungan. Beliau telah menggunakan lapan model untuk
tujuan ujikaji tersebut.
Daripada ujikaji tersebut, pekali tegasan dan tegasan efektif maksimum Von
Mises diperolehi dari setiap sambungan dan setiap kategori momen. Tegasan di sekitar
bahagian sambungan dan di setiap kombinasi momen turut dikaji.
32
Kesimpulan dari kajian yang dilakukan didapati tegasan statik yang paling
maksimum berlaku pada bahagian sambungan perentas dan rembat. Tegasan yang
diperoleh bergantung kepada diameter perentas. Dalam ujikaji ini juga didapati bahawa
terdapat perbezaaan dalam tegasan antara sambungan tubular yang dikekang sebelah
sahaja dengan sambungan turbular yang dikekang pada kedua- dua hujungnya.
3.4.2 Kelakuan lesu bagi sambungan T: Perentas Segiempat dan Rembat Bulatan
oleh P. Ghandi dan Stig Berge
Tujuan utama yang dijalankan oleh Ghandi dan Berge adalah untuk mengkaji
kelesuan sambungan turbular yang digabungkan pada bahagian perentas yang
bersegiempat dengan rembat yang bulat. Keputusan yang diperolehi akan dibandingkan
dengan nilai rintangan kelesuan sambungan pelbagai jenis model sama ada segiempat
dengan segiempat ataupun bulat dengan bulat.
Ujikaji statik yang dijalankan terhadap tujuh sambungan turbular T yang dibuat
dengan menggunakan perentas yang bersegiempat dengan rembat yang bulat bertujuan
untuk menunjukkan tegasan elastik dan faktor penumpuan tegasan.
Jumlah keseluruhan sebanyak sembilan ujian kelesuan telah dijalankan pada
sambungan turbular T yang dibina dengan bahagian perentas yang bersegiempat dan
rembat yang berbentuk bulat. Kesemua beban paksi yang dikenakan adalah beban
mampatan paksi pada rembat. Ujikaji kelesuan dilakukan terhadap pelbagai geometri
sambungan. Tiga parameter geometri yang utama adalah nisbah diameter, β (d/D),
kekerasan perentas, γ (D/2T), dan nisbah ketebalan, г (t/T).
33
3.4.3 Permodelan FEM untuk pengoptimisasian kerusi oleh Jerzy Smardzewski
dan Tomasz Gawronski
Objektif bagi kajian yang dijalankan adalah untuk mengkaji keberkesanan
kaedah pengoptimuman statik dengan menentukan isipadu bahan yang paling minimum
dalam fungsi masa dan nombor sample.
Kesimpulannya, ujikaji mendapati bahawa pengoptimuman statik bagi struktur
pembinaan kerusi dengan bantuan Kaedah Monte-Carlo dikamirkan dengan suasana
FEM membolehkan had bahan dikurangkan kepada 53% daripada isipadu awal dalam
17saat bagi penggunaan kerja.
3.4.4 Perkembangan Retak Lesu Bagi Beban Amplitud Tetap
Model perkembangan retak lesu di bawah beban kelebaran tetap telah
dibangunkan disebabkan keseimbangan tenaga semasa retak semakin berkembang.
Tegasan dan terikan elastik-plastik retak hujung yang terdekat dikira berdasarkan
formula asas Hutchinson, Rice dan Rosengren (HRR). Kadar perkembangan retak lesu
secara lurus dan berdekatan bahagian bendul bagi da/dN lawan lengkuk ΔK boleh
didapati daripada asas model yang dicadangkan dibawah syarat ciri-ciri kitar rendah lesu
(low cycle fatigue) yang terdapat pada benda kerja yang licin.
Kesimpulan daripada kajian, ciri-ciri perkembangan retak lesu bagi besi telah
disiasat dengan terperinci dan model perkembangan retak lesu bagi beban kelebaran
tetap telah diterbitkan. Kadar perkembangan retak lesu seperti yang ditafsirkan oleh
34
model bergantung kepada ciri-ciri kitar rendah lesu (LCF) bagi bahan contohnya, n’, σ’f,
dan ε’f. Model yang tersedia mengambil kira jumlah kemuluran hilang bagi bahan di
antara kitar zon plastik dengan mengambilkira tenaga terikan plastik yang terdapat
dalam lingkungan dan kitar lengkuk tegasan-terikan.
3.4.5 Laluan Retak Lesu Dalam Cu-Ni-Mo Keluli Aloi PM oleh A. Bergmark dan
L. Alzati
Tujuan utama kajian adalah untuk mencari batas retak dalam hubungan martensit
kaya-Cu dan austenit kaya-Ni dan juga di bawah permukaan. Langkah-langkah mengisar
dilakukan dalam sekitar 20µm, dan permukaan retak bagi setiap aras dicatit dengan
menggunakan light optical microscope (LOM). Kajian turut menggunakan ujikaji lesu
terhadap bar keluli PM untuk mengawal pemindahan lengkungan satah. Perkembangan
batas retak secara terperinci ditunjukkan apabila benda kerja diuji dalam lengkungan
empat titik pada 220 ± 220 MPa. Ujikaji dihentikan apabila terdapat penyesuaian
ditingkatkan kepada 1.5% setelah 91 kitarkilo.
Dengan menggunakan perkembangan retak 3D, terdapat dua posisi di mana
terdapat kewujudan retak disebabkan kawasan kaya-Ni diselidik.
Kesimpulannya, austenit kaya-Ni dikelilingi dengan martensit yang menghalang
retak daripada memasuki ke austenit. Keputusan menunjukkan bahawa austenit seperti
itu bukan merupakan penghenti retak.
35
3.4.6 Pergantungan Membina Dalam Model Unsur Terhingga Bagi Penutupan
Retak Semasa Lesu oleh H. Andersson, C. Persson, T. Hansson, S. Merlin,
dan Jarvstrat
Tujuan kajian dijalankan adalah untuk menganalisis dan membandingkan dengan
keputusan ujikaji bagi kesan pemilihan hubungan mustahak (constitutive relation) pada
ramalan tegasan pembukaan retak bagi retak lesu dengan menggunakan kaedah unsur
terhingga.
Dua ujikaji berbeza didapati hubungan tegasan-terikan bagi IN718 pada 550ºC
digunakan untuk menyesuaikan parameter bahan kepada kinematik lurus dan model
mustahak Bodner-Partom viscoplatic. Nilai ujikaji bagi tegasan permukaan retak yang
didapati dengan kaedah keupayaan jatuh bagi kes dua beban dianalisis. Dua kes beban
yang berbeza, kawalan beban dan kawalan pemindahan dikaji dan didapati bahawa
kaitan antara ujikaji dan huraian tegasan pembukaan retak ternyata berbeza dengan
penerangan bahan, kriteria pembukaan dalam simulasi dan kes bahan. Ujikaji
menunjukkan bahawa langkah berhati-hati dalam pemilihan penerangan bahan,
pembukaan kriteria bagi simulasi perkembangan retak.
36
BAB 4
KAEDAH UNSUR TERHINGGA
4.1 Pengenalan
Analisis dengan menggunakan komputer merupakan satu bidang yang agak baru
ketika ini. Kebanyakan analisis tersebut melibatkan sesuatu struktur yang lebih
kompleks. Teknologi komputer pada hari ini juga memudahkan peluang untuk
merekabentuk. Antara perisian analisis unsur terhingga yang terdapat di pasaran adalah
MSC NASTRAN/PATRAN, COSMOS-M, ABAQUS, LUSAS, ANSYS dan
sebagainya. Skop projek hanya melibatkan analisis penyelesaian masalah dengan
menggunakan perisian MSC NASTRAN/PATRAN.
Kaedah unsur terhingga (FEM) atau juga dikenali sebagai anlisis usur terhingga
(FEA), merupakan teknik perkomputeran yang sering digunakan untuk mendapat
penyelesaian yang hampir dengan masalah nilai sempadan dalam kejuruteraan. Secara
ringkasnya, masalah nilai sempadan merupakan satu masalah secara matematik di mana
satu atau lebih pembolehubah tidak bersandar harus memenuhi persamaan pembezaan
dan memenuhi keadaan spesifik pada sempadan bagi domain. Masalah nilai sempadan
juga dikenali sebagai masalah lapang (field problem). Field tersebut merupakan domain
kepada interest dan kebanyakkan sering mewakili sebuah struktur fizikal. Pembolehubah
lapang (field variables) merupakan pembolehubah tidak bersandar bagi faedah yang
dikuasai (interest governed) dari persamaan pembezaan. Keadaan sempadan merupakan
37
nilai spesifik bagi pembolehubah lapang (atau yang berkaitan dengan terbitan-terbitan)
pada sempadan bagi field. Bergantung kepada jenis masalah fizikal yang dianalis,
pembolehubah lapang mungkin meliputi pemindahan fizikal, suhu, fluks haba (flux
heat), dan kelajuan bendalir (Hutton D. V., 2004).
Kaedah unsur terhingga merupakan kaedah berangka untuk menyelesaikan
masalah bidang kejuruteraan dan matematik fizik. Bidang masalah tertentu untuk kajian
kejuruteraan dan matematik fizik kebanyakan diselesaikan dengan menggunakan kaedah
unsur terhingga termasuklah analisis struktur, pemindahan haba, aliran bendalir, beban
kenderaan, dan keupayaan elektromagnetik (Logan, 2001).
Dalam kaedah unsur terhingga, untuk mendapatkan penyelesaian bagi masalah
yang kompleks, sesuatu struktur itu haruslah dibahagikan kepada beberapa unsur yang
kecil dan disambung melalui nod. Ini adalah bertujuan untuk memudahkan penyelesaian
dibuat. Oleh kerana masalah ini dipermudahkan maka keputusan yang diperoleh adalah
satu keputusan yang menghampiri penyelesaian sebenar sahaja. Walaupun keputusan
bukan yang sebenar namun ia merupakan kaedah yang paling baik buat masa ini dan
kejituan keputusan yang diperoleh boleh dipertingkatkan lagi dengan menambah lebih
banyak unsur.
38
Unsur
Rajah 4.1: Unsur yang bersambung dengan nod
4.2 Asas Analisis Keadah Unsur Terhingga
Teknik dan terminologi umum bagi analisis unsur terhingga diterangkan seperti
dalam Rajah 4.2. Gambar rajah menggambarkan sebuah isipadu bagi sesetengah bahan
yang diketahui sifat-sifat fizikalnya. Isipadu tersebut mewakili domain bagi sempadan
nilai masalah yang dikaji. Secara ringkasnya, dengan menganggap kes bagi dua dimensi
dengan sebuah pembolehubah lapang (field variable), Φ(x, y) untuk ditetapkan pada
setiap titik P(x, y) seperti dalam persamaan yang diketahui memenuhi nilai-nilai sama
seperti setiap titik. Pastikan bahawa ini mengandungi sama seperti gambaran
penyelesaian matematik bagi pembolehubah bersandar.
39
Nod
Rajah 4.2: (a) Dua dimensi domain umum pada pembolehubah lapang Φ(x,y)
(b) Tiga nod unsur terhingga dikenali sebagai domain
(c) Pertambahan unsur-unsur menunjukkan separuh unsur mesh
bagi domain
(Sumber: Hutton D. V., 2004)
Contohnya dengan pertimbangkan rasuk julur (cantilever beam) seperti dibawah:
40
Rajah 4.3: Rasuk jalur
Analisis unsur terhingga bermula dengan anggaran lingkungan dari kepentingan
kepada nombor mesh-mesh (unsur segitiga). Setiap mesh dihubungkan untuk berkongsi
nod dan seterusnya menjadi unsur terhingga.
4.3 Proses dalam FEA
Berikut merupakan langkah-langkah prosedur bagi proses yang terlibat dalam
analisis unsur terhingga (FEA):-
a) Mendiskretkan domain
b) Pemilihan model penyisipan (interpolation model) yang betul
c) Penerbitan matriks kekakuan unsur dan vektor beban
d) Perhimpunan persamaan unsur untuk mendapatkan keseluruhan
persamaan keseimbangan (equilibrium equation)
e) Penyelesaian bagi pembolehubah lapang yang tidak diketahui
(pengamiran keadaan sempadan)
f) Perhitungan unsur terikan dan tegasan.
41
4.4 MSC Nastran
MSC Nastran digunakan selepas Patran (pendahuluan kepada pra-pemproses)
bagi simulasi CAE. Nastran merupakan perkara umum kaedah unsur terhingga untuk
penyambungan kompleks yang kecil. Satu bukti dan kaedah standard dalam bidang
struktur analisis untuk empat dekad menunjukkan Nastran menyediakan julat
permodelan yang luas dan kemampuan analisis, termasuklah lurus statik, pemindahan,
terikan, tegasan, gegaran, pemindahan haba, dan sebagainya. Tambahan lagi, Nastran
boleh mengawal mana-mana bahan jenis plastik dan besi kepada komposit dan bahan
hiper-elastik.
4.5 MSC Patran
Patran adalah pendahuluan kepada pra dan sesudah pemproses bagi simulasi
CAE. Program permodelan dan surfacing tool yang maju tersebut membolehkan
penciptaan model unsur terhingga dari garisan. Kelebihan boleh didapati daripada CAD
access tool Patran yang maju untuk berkerja secara langsung dalam CAD model yang
wujud. Degan kemasukan secara lansung, Patran import model geometri tanpa
pengubahsuaian. Sekiranya tiada penterjemahan tempat yang diambil, maka geometri
CAD masih tidak berubah. Setelah geometri diimport, Patran akan digunakan untuk
menentukan beban, keadaan sempadan (boundary condition), dan sifat bahan.
Setelah model unsur terhingga siap, hantar model ke analisis struktur. Patran
menyediakan kamiran penuh dengan penyelesaian analisis perisian MSC termasuk
Nastran.
42
Sebagai sesudah pemproses (post-processor), Patran dengan cepat dan jelas
mempamerkan keputusan analisis dalam struktur, terma, lesu, bendalir, istilah magnet
atau dalam hubungan kepada aplikasi lain di mana keputusan data-data adalalah
berhubung dengan elemen terhingga atau nod.
Patran adalah sebenarnya standard dalam hubungan rekabentuk, analisis, dan
penilaian keputusan dalam situsi tunggal dan tidak berkelim (seamless).
43
BAB 5
KAEDAH KAJIAN
5.1 Pengenalan
Bab ini menerangkan mengenai kaedah kajian yang digunakan untuk
menyelesaikan projek ini. Kaedah kajian atau metodologi merupakan proses-proses
pembangunan dalam kajian bermula dari peringkat awal sehingga peringkat akhir projek
iaitu kesimpulan. Terdapat beberapa peringkat dalam menyelesaikan kajian ini agar
ianya dapat disiapkan seperti yang telah dijadualkan. Kaedah kajian turut ditunjukkan
dalam bentuk carta alir (Rajah 5.1).
44
Berikut merupakan carta alir sepanjang kajian dijalankan:-
Rajah 5.1: Carta alir Kajian
MULA
Kajian IlmiahMengkaji struktur kerusi pelajarAnalisis kegagalan statik & kegagalan lesuAnalisis kaedah unsur terhinggaKajian terdahulu
Melukis rekabentuk secara terperinci dengan menggunakan perisian CAD
Analisis kegagalan statik dengan menggunakan MSC NASTRAN/PATRAN
Membuat ujian kegagalan lesu pada komponen kerusi pelajar
Membuat analisis tentang kegagalan lesu pada komponen kerusi pelajar
TAMAT
Kesimpulan
Membuat ujian tegangan pada komponen kerusi
Membuat analisis statik secara teori
45
5.1.1 Peringkat Pertama
Peringkat pertama adalah kajian ilmiah di mana kajian yang terdahulu ada dikaji
untuk mendapat lebih bahan maklumat dan sebagai rujukan untuk menjana idea dan
konsep ke atas kajian. Selain itu, peringkat ini turut mengkaji struktur kerusi pelajar
UTeM bagi menentukan jenis kerusi yang akan dijadikan sebagai bahan kajian. Analisis
teori bagi kegagalan statik dan kegagalan lesu serta analisis teori kaedah unsur terhingga
turut dikaji sebagai pemahaman kepada kajian yang dijalankan.
5.1.2 Peringkat Kedua
Peringkat kedua kajian pula di mana analisis kegagalan statik secara teori
dijalankan. Analisis kegagalan statik secara teori dijalankan bertujuan untuk mencari
maksimum tegasan normal dan maksimum tegasan lentur bagi komponen-komponen
kerusi yang terlibat. Nilai yang tersebut akan dibandingkan dengan nilai yang diperolehi
melalui ujikaji dan melalui analisis FEA. Faktor keselamatan dikaji untuk mendapatkan
maksimum berat yang mampu ditampung bagi komponen-komponen yang dikaji pada
bahagian kerusi.
5.1.3 Peringkat Ketiga
Manakala di peringkat ketiga, ujian tegangan digunakan untuk menentukan
beberapa sifat mekanik bahan yang penting dalam rekabentuk. Dalam ujian ini satu
spesimen diubah bentuk lazimnya sehingga patah menggunakan beban tegangan yang
46
meningkat secara perlahan. Beban ini dikenakan secara ekapaksi sepanjang paksi
specimen. Satu gambar rajah tegasan-terikan seperti Rajah 5.3 akan diplotkan dan
gambar rajah tegasan-terikan ini merupakan ciri-ciri bahan tersebut dan dapat
menyampaikan maklumat berhubung dengan sifat-sifat mekanikal dan jenis-jenis
kelakuan bahan.
Alat yang akan digunakan dalam ujikaji tegangan ditunjukkan seperti dalam
gambar Rajah 5.2. Mesin ujian tegangan direkabentuk untuk memanjangkan spesimen
pada kadar tetap dan menyukat secara berterusan dan serentak, beban yang dikenakan
pada spesimen dan pemanjangan (menggunakan extensometer). Suatu ujian tegasan-
terikan mengambil masa beberapa minit untuk dijalankan dan spesimen musnah (iaitu
spesimen telah berubah bentuk dan lazimnya juga patah). Hasil daripada ujian tegangan
direkodkan atas carta sebagai beban atau daya melawan pemanjangan.
Rajah 5.2: Mesin yang digunakan untuk ujikaji tegangan
(Sumber: Gere, M.G. dan Timoshenko, S. P., 1997)
47
Rajah 5.3: Perlakuan tegasan-terikan untuk spesimen loyang
(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S., 1999)
5.1.4 Peringkat Keempat
Di peringkat keempat, rekabentuk struktur komponen kerusi dilukis secara
terperinci dengan menggunakan perisian CAD (MSC SolidWorks). Lukisan hanya akan
tertumpu kepada bingkai kerusi sahaja memandangkan kajian yang dilakukan hanya
tertumpu kepada kegagalan yang berlaku pada bingkai kerusi sahaja. Lakaran lukisan
dilakukan terlebih dahulu dan dimensi sebenar komponen kerusi akan ditentukan.
Lukisan komponen tersebut akan dieksport semasa FEA dilakukan pada peringkat
seterusnya.
48
5.1.5 Peringkat Kelima
Pada peringkat yang kelima, analisis kegagalan statik dengan menggunakan
perisian NASTRAN/PATRAN dijalankan bagi menentukan titik kritikal komponen
kerusi tersebut dengan mengiimport lukisan komponen kerusi daripada perisian
SolidWorks. Nilai yang didapati daripada FEA akan dibandingkan dengan analisis statik
yang telah dilakukan secara teori.
5.1.6 Peringkat Keenam
Manakala di peringkat yang keenam, ujian kegagalan lesu akan dijalankan ke
atas komponen kerusi pelajar UTeM dijalankan. Komponen kerusi yang gagal akan
dipotong mengikut spesifikasi yang ditentukan.
Satu siri ujian dimulakan dengan membebankan satu spesimen dengan satu kitar
tegasan pada amplitud tegasan maksimum, σmaks biasanya 2/3 daripada kekuatan
tegangan statik. Bilangan kitar sebelum patah direkodkan. Prosedur ini diulangi pada
spesimen yang lain dengan amplitud tegasan maksimum yang berkurangan secara
beransur-ansur. Data diplotkan sebagai tegasan, S melawan logaritma bilangan kitar
sebelum gagal, N untuk setiap spesimen. Nilai S biasanya diambil sebagai amplitud
tegasan, σa; kadangkala nilai σmaks atau σmin mungkin digunakan.
49
5.1.7 Peringkat Ketujuh
Seterusnya di peringkat ketujuh pula analisis kegagalan lesu pada komponen
kerusi pelajar dilakukan. Berdasarkan graf S-N yang diperoleh, lengkok pada graf
dianalisis dan kebiasaannya lengkok sedemikian mempunyai bentuk umum seperti yang
ditunjukkan dalam Rajah 3.2(a) apabila paksi menegak kebiasaannya adalah dalam skala
lelurus dan paksi mendatar dalam skala log.
5.1.8 Peringkat Kelapan
Sementara peringkat terakhir adalah dengan membuat kesimpulan terhadap
keseluruhan kajian. Dalam peringkat ini, kesemua keputusan haruslah disimpulkan dan
menentukan sama ada objektif kajian tercapai atau tidak.
50
BAB 6
ANALISIS STATIK SECARA TEORI
6.1 Analisis
Analisis bermula dengan menentukan tegasan yang disebabkan oleh daya paksi,
daya kilas, daya ricih, dan momen lentur dengan menggunakan formula tegasan yang
telah diterbitkan. Kemudiannya tegasan-tegasan ini digabungkan pada sebarang titik
khusus di dalam struktur komponen bagi mendapatkan paduan tegasan pada titik
berkenaan. Dengan itu, tegasan σx, σy, τxy bertindak ke atas suatu unsur tegasan di titik
adalah diketahui. Berikutnya, tegasan yang bertindak pada arah condong boleh diperiksa
sama ada dengan menggunakan cara persamaan penjelmaan tegasan atau bulatan Mohr.
Dengan cara ini, seberapa banyak kedudukan genting dalam anggota boleh dianalisis
dan juga dapat dipastikan sama ada rekabentuk tersebut selamat atau jika tegasan
didapati terlalu besar atau terlalu kecil, rekabentuk perlulah diubahsuai.
Terdapat tiga bahagian pada kerusi yang akan dianalisis iaitu pada bahagian
penyokong tengah depan kerusi, penyokong tengah belakang kerusi, dan kaki kerusi
seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.1.
51
Rajah 6.1: Rangka Kerusi
6.2 Bahan yang Digunakan
Keluli lembut (ASTM-A709 Gred 345)
Ketumpatan = 7860 kg/m³
Kekuatan alah
- Tegangan = 345 MPa
Modulus Young, E = 210GPa
52
Penyokong tengah depan
Penyokong tengah belakang
Kaki kerusi
Modulus ketegaran = 77.2GPa
6.3 Pengiraan Tegasan Lentur Maksimum Pada Sokongan Tengah
Anggap rangka penyokong tengah depan simetri dengan penyokong tengah
Belakang:
a) Jumlah daya yang dikenakan pada kerusi = 60 kg
b) Jumlah daya yang bertindak pada penyokong tengah
P =
c) Gambarajah rangka penyokong tengah kerusi
53
0.49 m
0.123 m 0.123 m0.245 m
RA RB
P1 P2
MA MB
d) Pengiraan daya tindakbalas dan gandingan pada bahagian sambungan
Disebabkan ianya simetri;
Maka RA = RB = ; MA = MB
Momen inersia, I =
Maka jumlah luas keratan rentas,
54
Elemen 1
`
;
Pesongan pada elemen 1;
Oleh kerana x1=0.123m, maka
Gantikan P = 147.15N ke dalam persamaan
55
RA
x1
MA
Mx1
………………………. (1)
Elemen 2
;
di mana
Pesongan pada elemen 2;
56
RA
x2
MA
Mx2
0.123m
P1
Oleh kerana x2=0.245m, maka
Gantikan P = 147.15N ke dalam persamaan
………………………. (2)
Elemen 3
57
P1 P2
;
Di mana
Pesongan pada elemen 3;
Oleh kerana x3=0.123m dan P=147.15N;
58
RA
x3
MA Mx3
0.123m 0.225m
………………………. (3)
Gabungkan ketiga-tiga persamaan;
y1 ………………….(1)
y2 ………………………...(2)
y3 ………………….(3)
Di mana y = y1 + y2 + y3 = 0
Maka,
Oleh kerana maka
e) Pengiraan momen pada setiap elemen
59
Masukkan nilai MA = 15.802Nm ke dalam setiap persamaan:
(i) Elemen 1 (titik terdekat dengan P1)
(ii) Elemen 2 (titik tengah antara P1 dan P2)
(iii) Elemen 3 (titik tepi kiri penyokong)
= 15.802Nm
f) Pengiraan tegasan lentur maksimum
Ambil nilai momen yang paling maksimum maka M = 33.181Nm
Dengan itu, tegasan maksimum bagi momen lentur adalah
60
g) Faktor keselamatan
Tegasan yang dibenarkan, σa = σB = 45.07MPa
6.4 Pengiraan Tegasan Maksimum Pada Bahagian Kaki Kerusi
(a) Rajah rangka kaki kerusi
(b) Pengiraan daya kilas dan momen
Pindahkan daya Pmaks pada penyokong tengah ke rangka kaki pada point H
61
θ = 17°
y
x
z
H
Pmaks = 147.15 N
Daya kilas, T = (147.15 x 0.245) = 36.05 Nm
P2 = P1cos θ = 147.15 cos 17º
=140.72 N
Dengan menggunakan kaedah leraian daya,
Momen, Mz
= 9.89 Nm
62
P1
P2
P’
43.02 N
(c) Pengiraan tegasan normal maksimum
Pmaks = P’ = 43.02N
(d) Pengiraan tegasan ricih dan tegasan momen lentur maksimum
Pemalar kilasan,
= 1.473 x 10-7 m4
Tegasan ricih,
63
(d) Pengiraan faktor keselamatan
Ambil nilai tegasan maksimum yang paling besar maka σa = 32.1MPa
BAB 7
KESIMPULAN
64
Melalui kajian yang telah dijalankan, didapati bahawa berlaku kegagalan pada
struktur kerusi kegunaan pelajar UteM sama ada pada bahagian pemasangan ataupun
penyambungan. Kegagalan pada struktur kerusi ini akan dikaji dengan menggunakan
beban statik dan dinamik.
Berdasarkan pengiraan yang telah dilakukan, didapati bahawa bahagian yang
paling ktitikal bagi struktur kerusi tersebut adalah pada bahagian penyokong tengah
kerusi dengan faktor keselamatan 7.6. Ini menunjukkan bahawa struktur kerusi tersebut
tidak akan gagal apabila dikenakan beban statik dengan menggunakan berat ideal pelajar
+/-60kg.
Namun terdapat beberapa syarat yang telah dibuat bagi memudahkan pengiraan
dalam analisis statik yang dijalankan. Oleh itu, analisis yang lebih terperinci akan dibuat
dengan menggunakan Perisan MSC Patran/Nastran. Seterusnya analisis kelesuan akan
dijalankan pada semester hadapan bagi menentukan hayat lesu bagi struktur kerusi
tersebut.
RUJUKAN
65
[1] Ashby, M. F. dan Jones, D. R. (1980) Engineering Materials: an introduction to their
properties and applications. Vol 1. Diterbitkan oleh Pergamon Press, Oxford,
England.
[2] Aziz A. dan Bahrin S. (1999) Pengenalan Kepada Kejuruteraan Bahan: Sifat
Mekanik Bahan. Diterbitkan oleh Prentice-Hall (Singapore) Pte Ltd.
[3] BBC NEWS (Oktober 2000) Hatfield Rail Crash.
Sumber daripada http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk_news/4681891.stm
[4] Gere J. M. dan Timoshenko S. P. (1990) Mekanik Bahan: Tegangan, Mampatan dan
Ricihan. Edisi ketiga. Diterbitkan oleh PWS-Kent Publishing Company.
[5] Hutton D. V. (2004) Fundamentals of Finite Element Analysis: Basic Concept of
Finite Element Method. Edisi Pertama. Diterbitkan oleh The McGraw-Hill
companies, Inc.
[6] Kamus Dewan (1997) Kamus Dewan: Kerusi. Edisi Ketiga. Diterbitkan oleh Dewan
Bahasa dan Pustaka Kuala Lumpur (m/s 662).
[7] Logan (2001) A First Course in the Finite Element Method Using Algor: Finite
Element Method. Brooks/Cole. Edisi Kedua.
[8] Smardzewski J. dan Gawronski J. (2001) FEM Algorithm for Chair Optimization,
EJPAU 4(2). Vol 01.
Sumber daripada http://www.ejpaumedia.pl/volume4/issue2/wood/art-01.html
[9] Steven Minkowski dan Gamma Liaison.
66
Sumber daripada highered.mcgraw-
hill.com/sites/dl/free/0072465328/135698/Ch07.pdf
[10] Sumber daripada www.fkm.utm.my/~kasim/mech/smj3533/lecture5
[11] Wikipedia. Hatfield Rail Crash.
Sumber daripada http://en.wikipedia.org/wiki/Hatfield_rail_crash
67
