Draf Report Psm

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

Jenis Kerosakan

Kerosakan

1

- Engsel pada meja kerusi tercabut

8

Bilik Taklimat 1

14

-Engsel pada meja kerusi tercabut

2

Bilik Taklimat 2

44

3

Bilik Kuliah 2

1

- Kerosakan pada kaki kerusi

9

- Kerosakan pada kaki kerusi i)

Makmal 4

Measurement &

2

Instrumentation ii)

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 10

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.

2.5 Struktur dan Komponen Kerusi Berikut merupakan spesifikasi kerusi yang dikaji:11

Meja tulis

Tempat Duduk

Rangka badan

Rajah 2.1: Spesifikasi kerusi yang dikaji 2.6 Ciri-ciri Bahan Kerusi yang Dikaji

12

Jadual berkala terdapat 103 unsur-unsur. Bagaimanapun, satu jumlah bahanbahan yang besar adalah mungkin apabila ini digabungkan dalam pelbagai pecahanpecahan sebagai sebatian-sebatian. Banyak usaha ahli-ahli sains bahan dan jurutera menumpukan bagi mendapatkan resepi-resepi khususnya daripada hasil sebatiansebatian 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.

2.6.2

Besi lembut (mild steel)

13

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. Density bagi besi ini ialah 7,861.093 kg/m³ (0.284 lb/in³), kekuatan tegangan adalah maksimum 500Mpa (72.500 psi) dengan modulus Young 210 Gpa.

2.6.3

Papan serpihan (chip board) Papan serpihan atau chipboard 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 fiberboard, sejenis bahan komposit, namun ianya diperbuat daripada kepingan papan yang besar daripada medium-density fiberboard dan papan keras.

BAB 3

14

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.

15

Rajah 3.1: Gambar rajah 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 anggota yang dikenakan dengan gabungan daya apabila tegasan utama yang terhasil melebihi nilai tagasan alah sesuatu bahan. σ1 > σ2σ3

gagal apabila σ1 = σy

σy: Daya alah 16

b) Teori tegasan ricih maksimum Kegagalan berlaku apabila tegangan ricih maksimum mengalami anggota mencapai tahap daya yang terhasil pada bahan apabila ia gagal dalam ujikaji tegangan mudah.

τ max =

σy 2

σy: Daya alah

Structural component is safe as long as the maximum shearing stress is less than the maximum shearing stress in a tensile test at yield, i.e.,

τ max < τ Y

or

σY 2

c) Distortion Ernergy Theory Teori tenaga herotan ( Teori Von Mises) untuk bahan mulur

Biaxial

σ ' = σ 1 2 − σ 1σ 2 + σ 2 2

Structural component is safe as long as the distortion energy per unit volume is less than that occurring in a tensile test specimen at yield. ud ≤ uY

σ von⋅Mises ≤ σ Y σ von⋅Mises = σ a2 − σ aσ b + σ b2 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, 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. Menurut Smith dan Hashemi (2006), kegagalan lesu juga adalah kegagalan yang berlaku apabila spesimen yang mengalami retak lesu dalam dua bahagian atau ternyata dikurangkan dalam kekuatan. 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 retaklesu 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 di bawah; 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 20

(Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S. (1999)) 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 plateaus dan kekuatan lesu seterusnya menjadi tetap. Plateau 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 21

berbeza. Pertama, diwakili oleh satu tegasan yang nalar dan berbentuk sinus bersandar masa seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 3a dimana amplitudnya adalah simetri 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 tegsan berulang seperti yang dipaparkan oleh Rajah 3b; maksimum dan minimum tak simetri relatif kepada tahap tegasan sifar. Ketiga, amplitud dan frekuensi paras tegasan mungkin berubah secara rawak (Rajah 3c).

22

Rajah 3.3: Perubahan tegasan dengan masa yang menyebabkan kegagalan patah (a) Kitar tegsan berbalik, iaitu tegasan ulang-alik dari tegasan tegangan maksimum (+) ke tegasan mampat maksimum (-). (b) Kitar tegasan berulang yang mana tegasan maksimum dan minimum tidak simetri merujuk kepada tahap sifar; tegasan purata σm, julat tugasan σr dan amplitude tegasan σa ditunjukkan. (c) Kitar tegasan rawak (Sumber: Aziz, A. dan Bahrin, S. (1999))

3.3.3

Kriteria Kegagalan Lesu Berikut merupakan langkah penyelesaian yang jeneral: 1) Dapatkan jumlah limit daya tahan sebenar, Se atau lesu,Sf. 2) Dapatkan tegasan nominal, σa,0 dan σm,0 pada bahagian penting. 3) Tetapkan pemusatan tegangan Kf dan Kfm untuk menentukan σa dan σm. 4) Kira faktor keselamatan terhadap lesu, nf. 5) Kira faktor keselamatan terhadap kitar alah pertama ny. 6) Tentukan bahagian yang mengalami risiko lesu atau alah.

3.3.4

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. 23

Antara contoh fenomena yang disebabkan oleh kegagalan lesu adalah seperti berikut: a) Landasan keretapi yang disebabkan oleh berat keretapi i)

Hatfield Rail Crash

Rajah 3.4: Kemalangan Keretapi Hatfield (Sumber: BBC NEWS (Oktober 2000)) Hatfield rail crash 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 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.

24

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

25

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).

26

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

27

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)

(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))

3.3.5

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kegagalan Lesu

28

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. Permukaan kasar menyebabkan tegangan pusat bagi benda-benda halus (microscopic) yang mengurangkan kekuatan kesu. Compressive residual stresses tegasan baki secara mampatan 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 ultrsonic impact treatment rawatan hentakan ultrasonic 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.

29

c) Keboleharapan Data yang diperolehi oleh sesuatu untuk komponen mengenai rekod kegagalan.

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

30

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

Pengecutan diameter

Takik

Lubang bulat Rajah 3.8: Garisan beban pada beberapa jenis plat yang dikenakan beban paksi 31

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. Lesu haba biasanya teraruh pada suhu ternaik oleh tegasan haba turun-naik; tegasan mekanik dari sumber tidak semestinya wujud. Punca kepada tegasantegasan 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 32

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)).

Rajah 3.9: Mekanisma perambatan retak lesu (a) Sifar atau bebanan mampat maksimum (b) Beban tegangan kecil (c) Bebanan tegangan maksimum (d) Beban mampat kecil (e) Sifar atau beban mampat kecil (f) Beban tegangan kecil (Sumber: Aziz A. dan Bahrin S. (1999))

33

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

Moment loads on Branch-pipe Juntion, 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.

34

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 Maximum Von Mises Effective Stresses 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. Kesimpulan dari kajian yang dilakukan didapati tegasan statik yang paling maksimum berlaku pada bahagian sambungan chord dan brace . Tegasan yang diperoleh bergantung kepada diameter chord. 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

Fatigue Behaviour of T joints: Square Chords and Circular Braces Kelakuan lesu bagi sambungan T:…….. oleh P. Ghandi dan Stig Berge Tujuan utama yang dijalankan oleh Ghandi dan Berge adalah untuk mengkaji

kelesuan sambungan turbular yang digabungkan pada bahagian chord yang bersegiempat dengan brace yang bulat. Keputusan yang diperolehi akan dibandingkan dengan nilai rintangan kelesuan sambungan pelbagai jenis model sama ada segiempat dengan segiempat ataupun bulat dengan bulat.

35

Ujikaji statik yang dijalankan terhadap tujuh sambungan turbular T yang dibuat dengan menggunakan chord yang bersegiempat dengan brace 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 chord yang bersegiempat dan brace yang berbentuk bulat. Kesemua beban paksi yang dikenakan adalah beban mampatan paksi pada brace. Ujikaji kelesuan yang dilakukan terhadap pelbagai geometri sambungan. Tiga parameter geometri yang utama adalah nisbah diameter, β (d/D), kekerasan chord, γ (D/2T), dan nisbah ketebalan, г (t/T).

3.4.3

FEM Algorithm for Chair Optimization

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

Fatigue Crack Growth for Constant Amplitude Loading 36

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 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

Fatigue Crack Path in Cu-Ni-Mo Alloyed PM Steel 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 PM steel bars untuk mengawal pemindahan lengkungan satah. Perkembangan batas retak secara terperinci ditunjukkan apabila benda kerja diuji dalam lengkungan 37

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.

3.4.6

Constitutive Dependence in Finite-Element Modeling of Crack Closure During Fatigue 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 38

menunjukkan bahawa langkah berhati-hati dalam pemilihan penerangan bahan, pembukaan kriteria bagi simulasi perkembangan retak.

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. 39

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. Eadaan sempadan merupakan 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 40

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.

Unsur

Nod

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 rujukan gambar rajah di bawah. Gambar rajah menggambarkan sebuah isipadu bagi sesetengah bahan yang diketahui sifat-sifat fizikalnya. Isipadu tersebut mewakili domain 41

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.

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:

42

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

43

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. 4.4

MSC Nastran MSC 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 seni bentuk (modeling) 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 modeling 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

44

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. 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).

45

BAB 5

KAEDAH KAJIAN

5.1 Pengenalan + flow chart 5.2 yg lain2 tu dlm bentuk sub topic

5.1

Pengenalan Bab ini menerangkan tentang perkembangan bagi projek dan juga menerangkan

mengenai kaedah kajian yang digunakan untuk menyelesaikannya. Perkembangan projek ditunjukkan dalam bentuk carta alir (Rajah 5.1). Kaedah kajian atau metodologi merupakan proses-proses pembangunan dalam kajian bermula dari peringkat Pertama sehingga peringkat akhir projek iaitu kesimpulan. Tambah

46

5.2

Carta Alir Kaedah Kajian Berikut merupakan carta alir sepanjang kajian dijalankan:-

47

MULA

Kajian Ilmiah Mengkaji struktur kerusi pelajar Analisis kegagalan statik & kegagalan lesu Analisis kaedah unsur terhingga Kajian terdahulu

Membuat analisis statik secara teori

Membuat ujian tegangan pada komponen kerusi

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

Kesimpulan TAMAT

Rajah 5.1: Carta alir kajian Terdapat beberapa peringkat dalam menyelesaikan kajian ini agar ianya dapat disiapkan seperti yang telah dijadualkan. Peringkat pertama adalah kajian ilmiah di mana kajian yang terdahulu ada dikaji untuk mendapat lebih bahan maklumat dan

48

sebagai rujukan untuk menjana idea dan konsep ke atas kajian. Selain itu, eringakat 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 sebgai pemahaman kepada kajian yang dijalankan. 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. Manakala di peringkat ketiga, ujian tegangan komponen kerusi dilakukan untuk menentukan sifat-sifat bahan pada komponen kerusi. Satu gambar rajah tegasan-terikan akan diplotkan dan gambar rajah tegasan-terikan ini merupakan ciri bahan tersebut dan dapat menyampaikan maklumat berhubung dengan sifat-sifat mekanikal dan jenis-jenis kelakuan bahan. Alat? Figure if necessary. Di Peringkat keempat, rekabentuk struktur komponen kerusi dilukis secara terperinci dengan menggunakan perisian CAD (MSC SolidWorks). Lukisan hanya akan tertumpu kepada binkai 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. 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 49

SolidWorks. Nilai yang didapati daripada FEA akan dibandingkan dengan analisis statik yang telah dilakukan secara teori. 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. Dalam ujian ini gambar rajah S-N (tegasan melawan bilangan kitaran penyebab kegagalan) diplotkan. 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. 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.

5.3

Ujian Tegangan (Tensile Test) –nyatan apa yg akan dilakukan dan kenapa.. Sifat-sifat mekanikal bahan yang digunakan dalam kejuruteraan ditentukan

dengan melakukan ujian ke atas contoh-contoh kecil bahan tersebut. Ujian-ujian dijalankan dalam makmal menguji bahan lengkap dengan mesin ujian yang berkemampuan menghasilkan beban ke atas contoh dalam pelbagai cara termasuk pembebanan statik dan dinamik dalam tegangan dan mampatan (Gere J. M., Timoshenko S. P. (1990)).

50

Salah satu ujian tegangan-terikan mekanik yang lazim dijalankan adalah bentuk tegangan. 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 meningkat secara perlahan. Beban ini dikenakan secara ekapaksi sepanjang paksi spesimen (Aziz A. dan Bahrin S. (1999)). 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 sebgai beban atau daya melawan pemanjangan.

5.4

Ujian Lesu (Fatigue Test) Nyatakan apa yg akan dilakukan dan kenapa 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.

51

BAB 6

ANALISIS STATIK SECARA TEORI

52

6.1

Pengenalan Anggota struktur kerap diperlukan lebih daripada satu jenis pembebanan.

Misalnya, sebatang aci kilasan mungkin juga mengalami lenturan atau sebuah rasuk mungkin mengalami tindakan momen lentur dan daya paksi yang bertindak serentak. Analisis tegasan suatu anggota yang mengalami pembebanan penggabungan begini biasanya boleh dilakukan dengan menindih-nindihkan tegasan yang disebabkan oleh setiap beban yang bertindak secara berasingan (Gere, J. M. dan Timoshenko, S. P. 1990). 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.

53

6.2

Contoh Analisis Statik Secara Teori

6.0

Bahan yang digunakan Keluli lembut Ketumpatan = Kekuatan alah -stress -shear stress Modulus young Modulus ketegaran

Lukiskan gambar rangka kerusi dan labelkan bahagian yang hendak dibuat pengiraan (contoh : penyokong tengah) 6.1

Pengiraan tegasan lentur maksimum pada sokongan tengah -Jumlah daya yang dikenakan pada kerusi -Jumlah daya yang bertindak pada penyokong tengah -Rajah -Pengiraan daya tindakbalas dan gandingan pada bahagian sambungan -Pengiraan tegasan lentur maskimim -Faktor keselamatan

6.2

Pengiraan tegasan maksimum pada bahagian kaki kerusi -Sama seperti yg telah dibuat, Cuma pecahkan kepada: Tegasan normal, tegasan ricih dan tegasn maksimum. Kemudian faktor keselamatan.

54

Element 1

Anggap

P = 60kg = 588.6kg

Bagi beban seragam, w = P/L = 588.6/0.49 = 1201.2 N/m 55

Disebabkan ianya simetri;

Maka Ra = Rb =

wL2 1201.2 × 0.49 2 = = 144.2 N 2 2

Momen inersia, M =

c=

π ( D2 4 − D1 4 ) π (0.02 4 − 0.014 ) = = 7.361 × 10 −9 m 4 64 64

D2 0.02 = = 0.01cm 2 2

A1 =

πD1 2 π × 0.012 = = 7.854 × 10 −5 m 2 4 4

πD2 2 π × 0.02 2 A2 = = = 3.142 × 10 − 4 m 2 4 4 A = A2 − A1 = 2.357 × 10 −4 m 2 Pada bahagian AB; M x = M B + RB x −

wx 2 2

;

δM x = x1 δR B

Pesongan pada B;

y=∫

L

0

2

M x δM x − ⋅ δx1 EI δR B 56

=∫

L

2

( M B + RB x − EI

0

=

wx 2 ) 2 ⋅ δx

1

L2  M B R B L wL2  + −   ………………………. (1) EI  2 3 8 

Gantikan R B =

L2 yB = EI

=

wL2 ke dalam persamaan (1); 2

 M B wL2 wL2  + −   6 8   2

L2  M B wL2  +   EI  2 24 

Disebabkan yB = 0; L2  M B wL2  +  =0 EI  2 24  MB wL2 =− 2 24 wL2 wL2 1201.2 × 0.49 2 ∴MB = − = = = 24.487 Nm 12 12 12

MA = −

wL2 wL2 1201.2 × 0.49 2 = = = 24.487 Nm 12 12 12

57

Dengan itu, tegasan maksimum bagi momen lentur adalah

σB =

Mc I

=

(RA x + M B ) × c I

=

(144.2 × 0.245 + 24.487) × 0.01 7.361 × 10 −9

=

59.816 × 0.01 7.361 × 10 −9

= 81.26 MPa Manakala faktor keselamatan bagi elemen tersebut adalah

FS =

σy σa

;

Dimana bahan yang digunakan adalah steel ASTM-A913 Grade 450

450 × 10 6 = 81.26 × 10 6 = 5.5

58

Element 2

y

θ = 17°

x

H z

Pindahkan daya Pmaks pada elemen 1 ke elemen 2 pada point H Pmaks = 588.6 N Daya kilas, T = (588.6 x 0.245) = 144.21 Nm P = P’cos θ = 588.6 cos 17º Momen, Mz

= P’x cos θ = (562.9) (0.21 sin17º) = 34.56 Nm

σ z = 0;

σy =

M z c 34.56 × 0.01 = = 46.95MPa I 7.361 × 10 −9

59

Pemalar kilasan, J =

π ( D2 4 − D1 4 ) 32

π (0.02 4 − 0.014 = 32 = 1.473 x 10-7 m4

Tegasan ricih, τ zy =

σ max , σ min = =

σ z +σ y 2

Tc 144.21 × 0.01 = = 97.9MPa J 1.473 × 10 −8

± (

σ z+σ y 2

) + τ zy

0 + 46.95 0 + 46.95 2 ± ( ) + (97.9) 2 2 2

= 23.475 ± 100.675

∴ σ max = 23.475 + 100.675 = 124.15MPa

σ min = 23.474 − 100.675 = −77.2 MPa Maka faktor keselamatan pada elemen 2 adalah;

σy

450 × 10 6 FS = = = 3.6 σ a 124.15 × 10 6

60

61