TUGAS AKHIR
ANALISA BALISTIK IMPACT DENGAN VARIASI KECEPATAN AWAL PROYEKTIL MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
Andi Rizkiawan NRP 2106 100 124
Dosen Pembimbing Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA.
PENDAHULUAN I Latar Belakang Peralatan Militer = alat keamanan dan kedaulatan negara Peralatan militer mengalami beban balistik
Software menggunakan metode finite elemen
TUGAS AKHIR
PENDAHULUAN I Tujuan
Menganalisa residual velocity dan besar deformasi yang
dihasilkan dengan variasi kecepatan proyektil akibat beban impact dari proyektil. Membandingkan hasil yang didapatkan dengan hasil dari eksperimen kemudian disimpulkan rancangan yang paling aman digunakan.
PENDAHULUAN I Batasan Masalah
Sudut penembakan lurus, yaitu tegak lurus terhadap pelat. Sifat mekanik material dianggap sama dengan yang ada dalam
standar properties (tidak dilakukan pengujian sifat mekanik). Spesimen uji berbahan weldox E 460 steel. Pelat dijepit pada kedua sisinya. Analisa hanya pada pelat.
PENDAHULUAN I Asumsi
Material
yang dipakai diasumsikan homogen dan
isotropik. Tidak terdapat tegangan sisa (residual strength) pada material sebelumnya. proyektil sebelum menumbuk pelat Kecepatan diasumsikan konstan. Efek spin tidak diperhitungkan.
PENDAHULUAN I Manfaat
Dengan penelitian yang dilakukan diharapkan Untuk pelat (target) dirancang agar mampu menahan beban impact Untuk Proyektil dirancang agar mampu menembus target
TINJAUAN PUSTAKA I T. Børvik, M. Langseth, O.S. Hopperstad, dan K.A. Malo melakukan pengujian dengan menggunakan gas gun sebagai pelontar proyektil (massa, diameter, dan panjang sebesar 197 gram, 20 mm, dan 80 mm)
TINJAUAN PUSTAKA I W. Goldsmith dan S.A. Finnegan Melakukan pengujian balistik impact terhadap pelat alumunium dan baja ringan dengan kecepatan 150 – 2700 m/s
TINJAUAN PUSTAKA I N.K. Gupta dan V. Madhu melakukan eksperimen terhadap pelat yang mengalami beban impact dengan material pelat (a) mild steel dengan ketebalan 4,7 mm (MS1); 6,0 mm (MS2); dan 10, 12, 16, 20, dan 25 mm (MS3); (b) RHA steel dengan ketebalan 8, 12, 16, dan 20 mm; dan (c) alumunium plate dengan ketebalan 6,0 mm (AL1); 20 mm (AL2); dan 10, 20, 30, 33, dan 40 mm (AL3).
DASAR TEORI I Shock Wave
Tekanan yang dihasilkan untuk 2 material yang bertumbukan dimana Us adalah kecepatan shock Up adalah kecepatan partikel
DASAR TEORI I Shock Wave EOS untuk 2 material
Dimana C adalah sound velocity pada saat zero pressure, S adalah parameter empiris Sehingga persamaan tekanan menjadi:
DASAR TEORI I Shock Wave Jika diasumsikan P1 = P2 , maka persamaan menjadi
Didapatkan akar persamaan :
dimana
DASAR TEORI I Johnson-Cook
ep = effective plastic strain ep* = normalized effective plastic strain rate TH = homologous temperature = (T - Troom) / (Tmelt - Troom ) kelima konstanta material adalah A, B, C, n dan m.
DASAR TEORI I Johnson-Cook Failure
Dimana D adalah fracture strain constant
DASAR TEORI I Hex-Dominan Elemen Hex-Dominan digunakan untuk memodelkan pelat. Pembatasan serta asumsi yang dimiliki oleh elemen ini adalah : Elemen ini menggunakan metode meshing yang tidak terstruktur. Elemen dengan struktur solid yang dimodelkan harus mempunyai volume, sehingga terbentuk dalam 3 dimensi. Elemen Hex-Dominan ini lebih cocok untuk benda yang memiliki volume limas, prisma dan sejenisnya.
METODOLOGI I Secara garis besar langkah-langkah penelitian terdiri dari tahap-tahap sebagai berikut: Study literatur Membuat modeling finite elemen berbasis eksplisit (Ansys Autodyn). Analisa deformasi pada setiap pembebanan. Menarik kesimpulan mengenai hasil analisa yang dilakukan
METODOLOGI I Flowchart
METODOLOGI I Membangun Simulasi
Pada proses simulasi impact load ini akan digunakan alat bantu “software finite element analysis (FEA)”, yaitu ANSYS Workbench Autodyn.
METODOLOGI I Flowchart Simulasi Start
A
Perancangan Geometri
Penentuan Boundary Condition
Meshing Model Plot Result
Input Material dan Properties Material
Penentuan Initial Condition
A
Kontur tegangan dan Dimensi Lubang
Selesai
METODOLOGI I Perancangan Geometri
Model yang digunakan untuk analisa ini terdiri dari proyektil peluru dan pelat. Untuk membuat model proyektil dan pelat.
METODOLOGI I Meshing
Proses meshing adalah pembagian model menjadi elemen-elemen. Metode yang digunakan untuk meshing pelat adalah hex-dominan.
METODOLOGI I Material Model
METODOLOGI I Material Model EOS Models
EOS (equation of state) model adalah sebuah persamaan yang menggambarkan respon hidrodinamik dari suatu material. Respon utama untuk material solid pada tingkat deformasi tinggi, yaitu bila tekanan hidrodinamika jauh lebih besar daripada tegangan luluh material.
METODOLOGI I Material Model Strength Models
Material solid awalnya mungkin akan memiliki respon elastis. Akan tetapi di bawah beban shock ekstrim, material akan mencapai kondisi stress yang melebihi tegangan luluh dan berubah bentuk secara plastis. Persamaan Material strength menggambarkan respon elaso-plastik non-linear.
METODOLOGI I Material Model
Failure Models
Material solid pada umumnya gagal pada kondisi beban ekstrim, sehingga material hancur atau retak. Material failure models mensimulasikan berbagai cara di mana material gagal.
METODOLOGI I Initial Condition
inti proyektil (inner) dan selimut proyektil (outer) dengan kondisi awal memiliki kecepatan tertentu
METODOLOGI I Boundary Condition
Boundary Condition adalah penentuan batasan yang akan digunakan dalam analisa ini.
METODOLOGI I Pengolahan Data variabel tetap adalah jenis material, ukuran proyektil dan tebal
pelat. variabel yang berubah adalah kecepatan proyektil. Dari variabel yang berubah diatas, maka dilakukan plotting terhadap hasil yang didapatkan, yaitu residual velocity yang terjadi dan besar deformasi yang dihasilkan.
Proyektil (pemberi impact) : Material : Hardened Arne Tool Steel Density (p) : 7,87 gram/cm3 Massa : 250 gram Pelat (target) : EOS Ref. Density Gruneisen Coeff C1 S1
SHOCK 7,85 gram/cm3 2,17 4569 m/s 1,49
Strength Shear Modulus, G Yield Stress Hardening Const Hardening Expnt
Johnson-Cook 75,19 GPa 490 MPa 807 Mpa 0,73
Ref Temp. Specific Ht
293 K 452 J/kgK
Strain Rate Constant Thermal softening Exponent
0,012 0,94
Thermal Conductivity
45 J/mKs
Melting Temp
1800 K
Ref Strain Rate
5 x 10-4
Failure Johnson-Cook Damage Constant, D1 0,0705 Damage Constant, D2 11,732 Damage Constant, D3 -0,54 Damage Constant, D4 -0,00123 Damage Constant, D5 Melting Temp
0 1800 K
Ref Strain Rate
5 x 10
-4
no. Initial Velocity Residual Velocity 1 173.7 0 2 177.3 0 3 179.4 0 4 181.5 0 5 184.8 0 6 188.8 43.2 7 189.6 43.7
no. Initial Velocity Residual Velocity 8 199.1 67.3 9 200.4 71.4 10 224.7 113.7 11 244.2 132.6 12 285.4 181.1 13 303.5 199.7
no.
Residual Velocity
Initial Velocity Eksperimen
Simulasi
1
173.7
0
0
2
177.3
0
0
3
179.4
0
0
4
181.5
0
0
5
184.8
0
0
6
188.8
43.2
0
7
189.6
43.7
0
8
199.1
67.3
0
9
200.4
71.4
0
10
224.7
113.7
0
11
244.2
132.6
0
12
285.4
181.1
175
13
303.5
199.7
196
Tanpa lubang no. Initial Velocity (m/s) 1 2 3 4 5
173.7 177.3 179.4 181.5 184.8
Deformasi Simulasi (mm) Eksperimen (mm) 2.9625 2.93 3.045 2.95 2.9525 2.81 2.9525 2.92 2.81 2.56
Perbedaan (%) 1.109215017 3.220338983 5.071174377 1.113013699 9.765625
Tanpa lubang
no. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Initial Velocity (m/s) 173.7 177.3 179.4 181.5 184.8 188.8 189.6 199.1 200.4 224.7 244.2 285.4 303.5
Deformasi Hasil Eksperimen (mm) Deformasi Hasil Simulasi (mm) Diameter Muka Diameter Belakang Diameter Muka Diameter Belakang 20.19 20.08 20.21 20.005 20.14 20 20.21 20.1 20.2 19.91 20.36 20.68 20.45 20.4 20.63 19.855 20.28 20.65 19.855 20.35 20.88 19.855 20.56 20.72 20.12 20.42 21.18 20.4 20.59 20.75 20.38 20.9 20.65 20.93 20.475 21
Lubang
no.
Initial Velocity
1 2
285.4 303.5
Residual Velocity Eksperimen Simulasi 181.1 175 199.7 196
Perbedaan (%) 3.485714286 1.887755102
KESIMPULAN Nilai Balistik limit yang terjadi pada eksperimen adalah
sebesar 184,8 m/s. Nilai Balistik limit yang terjadi pada simulasi adalah sebesar 285,4 m/s. Deformasi akan lebih besar karena akibat adanya spin. Pola residual velocity yang terjadi pada proyektil cenderung mengalami kenaikan seiring dengan naiknya initial velocity. Kecepatan maksimum agar proyektil tidak mampu menembus pelat, maka proyektil harus memiliki kec. Maksimal sebesar 184,8 m/s.
SARAN Disarankan untuk penelitian selanjutnya dengan teknik serta
metode yang sama, menggunakan pengaruh spin untuk mengetahui keakuratan metode yang dilakukan. Untuk penelitian selanjutnya, disarankan melakukan penelitian dengan objek yang sesuai dengan kondisi yang ada, seperti material pelat dan jenis proyektil.
DAFTAR PUSATAKA [1] Robert C.Juvinall. 1967. Engineering Consideration of Stress, Strain, and Strength. New York.McGraw-Hill Book Company. [2] F. I. Grace. 1992. Shock-Wave and High-Strain Rate Phenomena in Materials, eds. M. A. Meyers, L. E. Murr, and K. P. Staudhmmer, Dekker, New York. [3] T. Børvik, M. Langseth, O.S. Hopperstad, K.A. Malo. 1999. Ballistic penetration of steel plates. Norwegian Defence Construction Service & Department of Structural Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Norway. [4] N.K. Gupta and V. Madhu. 1997. An Eexperimental Study of Normal and Oblique Impact of Hard-Core Projectile on Single and Layered Plates. Department of Applied Mechanics, Indian Institute of Technology & Defence Metallurgical Research Laboratory, India. [5] G. G. Corbett, S. R. Reid and W. Johnson. 1995. Impact Loading of Plates and SHELLS by Free-Flying Projectile: A Review. Department of Engineering University of Aberdeen & Department of Mechanical Engineering, U.K. [6] Century Dynamics. 2005. ANSYS® AUTODYN® Explicit Software for Nonlinear Dynamics Theory Manual, Revision 11.0.
