PENGEMBANGAN MODUL PENYERAP ENERGI IMPAK BERKAPASITAS TINGGI TIPE GABUNGAN TUBE EXPANSION - AXIAL SPLITTING SEBAGAI KOMPONEN CRASHWORTHINESS DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh YUWONO BUDI PRATIKNYO NIM: 33115004 (Program Studi Doktor Teknik Mesin) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG November 2022 i ABSTRAK PENGEMBANGAN MODUL PENYERAP ENERGI IMPAK BERKAPASITAS TINGGI TIPE GABUNGAN TUBE EXPANSION- AXIAL SPLITTING SEBAGAI KOMPONEN CRASHWORTHINESS Oleh Yuwono Budi Pratiknyo NIM: 33115004 (Program Studi Doktor Teknik Mesin) Teknologi crashworthiness telah dikembangkan dan diterapkan sebagai sistem keselamatan pasif pada beberapa sarana transportasi darat, laut dan udara. Komponen penting dalam penerapan teknologi crashworthiness adalah modul penyerap energi impak. Mekanisme yang efektif dalam menyerap energi impak adalah melalui deformasi plastis struktur modul penyerap energi impak. Pada kejadian tabrakan, energi impak yang diteruskan ke struktur utama kendaraan akan diserap oleh modul penyerap energi impak. Energi impak yang diserap pada akhirnya dapat meminimalkan dampak tabrakan terhadap keselamatan penumpang. Berbagai mekanisme modul penyerap energi impak melalui deformasi plastis telah dikembangkan dan diaplikasikan sejak beberapa dekade lalu, antara lain: tube flattening, tube axial folding, tube inversion, tube expansion, tube axial splitting, honeycomb dan tubular rings, dengan variasi material dan dimensi yang berbeda. Mekanisme-mekanisme tersebut dibandingkan secara kritis dengan melihat parameter energi spesifik (specific energy), efisiensi langkah (stroke effeciency/volumetric efficiency) dan efisiensi gaya hancur (crushing force efficiency). Hasil perbandingan menunjukkan bahwa modul tube expansion memiliki energi spesifik yang tinggi dan axial splitting memiliki efisiensi langkah yang tinggi, Namun pada masing-masing mekanisme memiliki kekurangan pada parameter yang lain. Pengembangan modul baru perlu dilakukan untuk meningkatkan keunggulan dan mengurangi kekurangan dari modul-modul yang sudah ada. Sehingga tujuan dari disertasi ini adalah memperoleh rancangan dan rumusan perhitungan modul penyerap energi impak yang baru dan dapat digunakan pada berbagai penerapan berdasarkan pola operasi dan ketersediaan ruang. Selain itu juga memiliki tujuan untuk menghasilkan metodologi pemilihan/optimasi rancangan modul penyerap energi tabrakan berdasarkan berbagai alternatif geometri modul. Pada penelitian disertasi ini, dikembangkan modul mekanisme penyerap energi impak yang memiliki kebaruan (novelty) dan orisinalitas berupa tipe gabungan tube expansion- axial splitting. Mekanisme ini dipilih untuk menyerap energi impak yang besar dengan ruang modul penyerap energi impak yang terbatas. Penyerap energi impak tube expansion memiliki kontruksi pipa dan dies berbentuk silinder pejal. Ketika pipa mendapatkan beban aksial, diameter dalam pipa akan berdeformasi menjadi lebih besar daripada ii sebelumnya dan mengikuti diameter silinder pejal yang mengenainya. Keuntungan menggunakan modul penyerap energi impak tipe tube expansion memiliki karakteristik energi spesifik yang tinggi. Hal tersebut dikarenakan karakteristik respon gaya yang didapatkan mendekati karakteristik ideal. Jika dibandingkan dengan tube expansion maka energi spesifik tipe gabungan dapat ditingkatkan antara 1,8 – 2 kali energi spesifik dari tube expansion dengan efesiensi langkah yang hampir mendekati dengan efesiensi langkah dari axial splitting. Hasil dari disertasi ini adalah diperolehnya rumusan analitik modul penyerap energi impak tube expansion-axial splitting, yang memenuhi karakteristik modul penyerap energi impak. Modul penyerap energi impak dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan berdasarkan pola operasi dan ketersediaan ruang. Perhitungan analitik Vs kaji eksperimen, memiliki perbedaan antara 1,39 % - 26,11 % dengan rata-rata perbedaan sebesar 9,09 %. Pada kaji numerik Vs kaji eksperimen dari 4 tipe dimensi spesimen hasil perhitungan numerik Vs kaji eksperimen, memiliki perbedaan antara 5,57 % - 17,15 % dengan rata-rata perbedaan sebesar 10,58 %. Dari hasil rumusan analitik, numerik dan eksperimental, diperoleh juga batasan rancangan modul penyerap energi impak yang baru dan dapat digunakan pada berbagai aplikasi perancangan. Selain dua hal tersebut disertasi ini juga menghasilkan metodologi pemilihan/optimasi rancangan modul penyerap energi tabrakan berdasarkan berbagai alternatif geometri modul, yang telah diterapkan pada studi kasus perancangan modul penyerap energi impak pada kereta penumpang K1. Kata kunci: crashworthiness, modul penyerap energi impak, plastisitas dinamik, tube expansion, axial splitting. iii ABSTRACT DEVELOPMENT OF HIGH-CAPACITY IMPACT ENERGY ABSORPTION MODULE COMBINATION TYPE OF TUBE EXPANSION-AXIAL SPLITTING AS CRASHWORTHINESS COMPONENT By Yuwono Budi Pratiknyo NIM: 33115004 (Doctoral Program in Mechanical Engineering) Crashworthiness technology has been developed and applied as a passive safety system in several means of land, sea and air transportation. An important component in the application of crashworthiness technology is the impact energy absorbing module. An effective mechanism for absorbing impact energy is through plastic deformation of the structure of the impact energy absorbing module. In the event of a collision, the impact energy transmitted to the main structure of the vehicle will be absorbed by the impact energy absorbing module. The absorbed impact energy can ultimately minimize the impact of the collision on passenger safety. Various mechanisms of impact energy absorption modules through plastic deformation have been developed and applied over the past few decades, including: tube flattening, tube axial folding, tube inversion, tube expansion, tube axial splitting, honeycomb and tubular rings, with a variety of different materials and dimensions. These mechanisms are compared critically by looking at the parameters of specific energy, stroke efficiency/volumetric efficiency and crushing force efficiency. The comparison results show that the tube expansion module has a high specific energy and axial splitting has a high step efficiency. However, each mechanism has shortcomings in other parameters. The development of new modules needs to be done to increase the advantages and reduce the shortcomings of the existing modules. So the purpose of this dissertation is to obtain a design and calculation formula for a new impact energy absorber module that can be used in various applications based on operating patterns and space availability. In addition, it also has a goal to produce a methodology for selecting/optimizing the collision energy absorption module design based on various alternative module geometries. In this dissertation research, an impact energy absorbing mechanism module was developed which has novelty and originality in the form of a combined type of tube expansion-axial splitting. This mechanism was chosen to absorb large impact energy with limited impact energy absorbing module space. The tube expansion impact energy iv absorber has a solid cylindrical structure of pipes and dies. When the pipe is subjected to axial load, the inner diameter of the pipe will be deformed to be larger than before and follow the diameter of the solid cylinder that hits it. The advantage of using the tube expansion type impact energy absorbing module is that it has high specific energy characteristics. This is because the characteristics of the force response obtained are close to the ideal characteristics. When compared with tube expansion, the specific energy of the combined type can be increased between 1.8 – 2 times the specific energy of tube expansion with a step efficiency that is almost close to the step efficiency of axial splitting. The result of this dissertation is to obtain an analytical formulation of the tube expansion- axial splitting impact energy absorbing module, which meets the characteristics of the impact energy absorbing module. Impact energy absorbing modules can be used for various needs based on operating patterns and space availability. Analytical calculations vs. experimental studies, have a difference between 1.39% - 26.11% with an average difference of 9.09%. In numerical studies vs. experimental studies of 4 types of specimen dimensions, the results of numerical calculations vs.