Draf Report Psm(last Draf)

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

Bilik Taklimat 1

14

- Engsel pada meja kerusi tercabut

8

-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)

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:-

Meja tulis

Tempat Duduk

Rangka badan

Rajah 2.1: Spesifikasi kerusi yang dikaji

12

2.6 Ciri-ciri Bahan Kerusi yang Dikaji 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.

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.

16

Kegagalan berlaku apabila

σ dibenarkan ≥ σ y

di mana σy: tegasan alah

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 τ max > τ y

Di mana

τ max =

maka kegagalan berlaku

σy 2

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. ud ≤ u y

dan

σ von − Mises ≤ σ y

σ von − Mises = σ a 2 − σ aσ b + σ b 2

17

3.2.2

Contoh- Contoh Kegagalan Statik 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 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 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 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 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.

Unsur

38

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 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

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:-

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

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 tegasanterikan 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

Penyokong tengah belakang

Penyokong tengah depan

Kaki kerusi

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

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=

60 = 15kg = 147.15 N 4

c) Gambarajah rangka penyokong tengah kerusi P1

P2

MA

MB 0.123 m

RA

0.245 m 0.49 m

0.123 m

RB

53

d) Pengiraan daya tindakbalas dan gandingan pada bahagian sambungan Disebabkan ianya simetri;

Maka RA = RB =

P+P = P = 147.15 N 2

;

MA = MB

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

c=

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 Maka jumlah luas keratan rentas, A = A2 − A1 = 2.357 × 10 −4 m 2

54

Elemen 1

Mx1 MA `

x1 RA

M x1 = M A + R A x1

δM x1

;

= x1

δR A

= M A + Px1 Pesongan pada elemen 1;

y1 = ∫

x1

0

=

1 EI

M x1 δM x1 ⋅ ⋅ δx1 EI δR A

∫

x1

0

( Px1 + M A ) ⋅ x1 ⋅ δx1 x1

1  Px13 M A x12  = +   EI  3 2 0

Oleh kerana x1=0.123m, maka

=

1  P (0.123) 3 M A (0.123) 2  +   EI  3 2 

=

1 3.722 × 10 −3 P + 0.045M A 6 EI

(

) 55

Gantikan P = 147.15N ke dalam persamaan

=

0.548 + 0.045M A 6 EI

=

0.091 + 7.567 × 10 −3 M A ………………………. (1) EI

Elemen 2 P1 Mx2 MA 0.123m

x2

RA

M x2 = M A + R A (0.123 + x 2 ) − P1 x 2 = M A + 0.123R A + R A x 2 − P1 x 2

;

δM x2 δR A

= x2

di mana P = P1 = R A

= M A + 0.123P

56

Pesongan pada elemen 2;

y2 = ∫

x2

0

=

1 EI

1 = EI

M x2 δM x2 ⋅ ⋅ δx 2 EI δR A

∫

x2

0

(0.123P + M A ) ⋅ x 2 ⋅ δx 2 x2

 0.123Px 22 M A x 22  +   2 2 0 

Oleh kerana x2=0.245m, maka

1 = EI =

 0.123P(0.245) 2 M A (0.245) 2  +   2 2  

(

1 3.692 × 10 −3 P + 0.030 M A EI

)

Gantikan P = 147.15N ke dalam persamaan

=

0.543 + 0.030M A ………………………. (2) EI

57

Elemen 3 P1

P2

MA

Mx3 0.123m

0.225m

x3

RA

M x3 = M A + R A (0.123 + 0.245 + x3 ) − P1 (0.245 + x3 ) − P2 x3 + R B (0)

;

δM x3 δR A

= x3

= M A + 0.123R A + 0.245R A + R A x3 − 0.245 P1 − P1 x3 − P2 x3 Di mana P = P1 = P2 = R A = M A + 0.123P − Px3 Pesongan pada elemen 3;

y3 = ∫

x3

0

=

1 EI

M x3 δM x3 ⋅ ⋅ δx3 EI δR A

∫

x3

0

(0.123P − Px3 + M A ) ⋅ x3 ⋅ δx3 x3

1  0.123Px32 Px33 M A x32  = − +   EI  2 3 2 0

Oleh kerana x3=0.123m dan P=147.15N;

58

(

)

=

1 0.137 − 0.0913 + 7.565 × 10 −3 M A EI

=

0.046 + 7.565 × 10 −3 M A ………………………. (3) EI

Gabungkan ketiga-tiga persamaan; y1 =

0.091 + 7.567 × 10 −3 M A ………………….(1) EI

y2 =

0.543 + 0.030M A ………………………...(2) EI

y3 =

0.046 + 7.565 × 10 −3 M A ………………….(3) EI

Di mana y = y1 + y2 + y3 = 0

Maka,

0.680 0.045M A + =0 EI EI 0.680 + 0.045M A = 0 0.045M A = −0.680 M A = −15.082 Nm = 15.082 Nm

Oleh kerana M A = M B

maka M B = 15.082 Nm

59

e) Pengiraan momen pada setiap elemen Masukkan nilai MA = 15.802Nm ke dalam setiap persamaan: (i)

Elemen 1 (titik terdekat dengan P1) M x1 = Px1 + M A = 147.15(0.123) + 15.802 = 33.181Nm

(ii)

Elemen 2 (titik tengah antara P1 dan P2) M x2 = 0.123P + M A = 147.15(0.123) + 15.802 = 33.181Nm

(iii)

Elemen 3 (titik tepi kiri penyokong) M x3 = 0.123P − Px3 + M A = 147.15(0.123) − 147.15(0.123) + 15.802 = 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

σB =

=

Mc I 33.181 × 0.01 7.361 × 10 −9

= 45.07 MPa

g) Faktor keselamatan Tegasan yang dibenarkan, σa = σB = 45.07MPa

FS =

6.4

σy σa

=

345 = 7.65 45.07

Pengiraan Tegasan Maksimum Pada Bahagian Kaki Kerusi (a) Rajah rangka kaki kerusi y

H θ = 17°

x z

61

(b) Pengiraan daya kilas dan momen Pindahkan daya Pmaks pada penyokong tengah ke rangka kaki pada point 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, P1 P’

P2

2

P ' = P1 − P2

2

= 43.02 N

62

Momen, Mz

= P' x

= 43.02 × 0.23 = 9.89 Nm

(c) Pengiraan tegasan normal maksimum Pmaks = P’ = 43.02N

σn =

Pmax 43.02 = = 0.183MPa A 2.357 × 10 − 4

(d) Pengiraan tegasan ricih dan tegasan momen lentur maksimum

σ z = 0;

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

σy =

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 =

Tc 36.05 × 0.01 = = 24.47 MPa J 1.473 × 10 −8

63

σ max , σ min = =

σ z +σ y 2

± (

σ z+σ y 2

) + τ zy

0 + 13.44 0 + 13.44 2 ± ( ) + (24.47) 2 2 2

= 6.72 ± 25.38MPa

∴ σ max = 6.72 + 25.38 = 32.1MPa

σ min = 6.72 − 25.38 = −18.66 MPa

(d) Pengiraan faktor keselamatan Ambil nilai tegasan maksimum yang paling besar maka σa = 32.1MPa

FS =

σy σa

=

345 = 10.7 32.1

64

BAB 7

KESIMPULAN

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.

65

RUJUKAN

[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.

66

[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. Sumber daripada highered.mcgrawhill.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