SIMULASI PENGARUH KEDALAMAN, ARAH DAN LOKASI RETAK TERHADAP KEKUATAN BEJANA TEKAN SILINDER

DODIK KUSMARTONO, Gesang Nugroho, S.T., M.T., Ph.D.

2019 | Tesis | MAGISTER TEKNIK MESIN

Penelitian terkait keretakan pada bejana tekan silinder pada daerah konsentrasi tegangan relatif masih terbatas. Penelitian yang sudah ada banyak berfokus pada keretakan di shell. Pada daerah knuckle radius yang merupakan daerah dengan konsentrasi tegangan, rentan terjadi kegagalan. Konsentrasi tegangan terjadi akibat transisi antara shell dengan head. Penelitian terkait keretakan di daerah knuckle radius menjadi menarik dilakukan karena adanya faktor konsentrasi tegangan. Dalam penelitian ini dilakukan simulasi pengaruh kedalaman, arah dan lokasi retak terhadap kekuatan bejana tekan silinder dengan menggunakan perangkat lunak finite element Abaqus. Variasi dilakukan pada kedalaman relatif terhadap tebal (a/t) pada 0,2t; 0,4t; 0,6t dan 0,8t. Retak akan divariasikan pada arah longitudinal dan transversal pada daerah shell dan knuckle radius. Dalam penelitian ini SIF mode I (KI) akan dinormalisasi dengan nilai SIF material (KIC). Retak akan mulai merambat ketika KI/KIC sama dengan 1. Hasil penelitian menunjukkan bahwa SIF dan tekanan kritis dipengaruhi tidak hanya oleh geometri retak tetapi juga lokasi retak dan arah retak. Dalam simulasi retak terletak di daerah shell, ketika a/t meningkat, KI/KIC meningkat dan tekanan kritis menurun. Tidak seperti pada daerah shell, fenomena yang menarik dapat diamati pada retak di daerah knuckle radius, KI/KIC bervariasi tergantung pada kedalaman retak. Pada kedalaman 0,2t, KI/KIC memiliki nilai negatif, dan nilai negatif meningkat ketika retakan semakin dalam pada kedalaman 0,4t. Sementara pada kedalaman 0,6t, KI/KIC negatif berkurang. Pada retak terdalam di 0,8t, KI/KIC mencapai nilai positif namun masih di bawah ketika retak terjadi di daerah shell. Fenomena retak pada daerah knuckle radius disebabkan oleh tegangan sirkumferensial yang bersifat tekan pada daerah tersebut. Dengan geometri retak dan arah retak yang sama, retakan yang terletak di shell memiliki nilai KI/KIC dan penurunan tekanan kritis yang lebih besar dibandingkan dengan retak yang terletak di daerah knuckle radius. Hasil yang sama juga didapatkan pada variasi arah retak longitudinal terhadap transversal. Hal ini disebabkan pada retak longitudinal terpapar tegangan yang lebih besar yaitu tegangan sirkumferensial.

Research related to cracks in the cylindrical pressure vessels in the stress concentration area is still limited. Existing research focuses a lot on cracks in the shell. In the knuckle radius region which is an area with stress concentration, failure is prone to occur. Stress concentrations occur due to the transition between the shell and the head. Research related to cracks in the knuckle radius area is interesting because of the stress concentration factor. In this study a simulation effect of crack depth, direction and location on the strength of the cylindrical pressure vessel is conducted using Abaqus finite element software. Variations were made at depth relative to thickness (a / t) at 0.2t; 0.4t; 0.6t and 0.8t. Cracks will vary in the longitudinal and transverse directions in the shell and knuckle radius regions. In this study SIF mode I (KI) will be normalized with a material SIF value (KIC). Cracks will begin to propagate when KI/ KIC is equal to 1. The results showed that SIF and critical pressure were affected not only by crack geometry but also the location of the crack and the direction of the crack. In the crack simulation located in the shell area, when a/t, increases, KI/ KIC increases and critical pressure reduces. Unlike in the shell area, an interesting phenomenon can be observed in cracks in the knuckle radius region, KI/ KIC varies depending on the depth of the crack. At a depth of 0.2t, the KI/ KIC has a negative value, and the negative value increases when the cracks get deeper at a depth of 0.4t. While at a depth of 0.6t, the negative KI/ KIC was reduced. In the deepest crack at 0.8t, KI/ KIC reaches a positive value but is still below when the crack occurs in the shell area. The phenomenon of cracking in the knuckle radius region is caused by circumferential stresses that are compressive in that area. With the same crack geometry and crack direction, cracks located in the shell have a greater KI/ KIC value and critical pressure drop compared to cracks located in the knuckle radius region. The same results were also obtained in the variation of the direction of the longitudinal crack against the transversal. This is caused by longitudinal cracks exposed to greater stress due to circumferential stress.

Kata Kunci : Retak, bejana tekan, stress intensity factor, tekanan kritis, shell, knuckle radius