View
193
Download
14
Category
Preview:
Citation preview
Pengujian fatik low cycle pada pipa stainless steel 429EM
1. Pendahuluan
Cylindrical shell merupakan bentuk struktur yang banyak digunakan pada
bidang teknik. Dalam bentuk pipa struktur ini efisien untuk menahan beban aksial
dan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap bending dan torsi. Karena
kegunaan dan penggunaan yang luas ini, sifat-sifat struktur dari cylindrical shell
penting untuk desain struktur yang benar. Pada kasus ini, kita fokuskan pada
cylindrical shell yang relatif ‘tebal’, yang biasanya disebut dengan pipa atau tube.
Jenis proses permesinan pada pipa tidaklah sederhana. Material dalam
bentuk lembaran kemudian dibentuk menjadi bentuk silindris pada suhu yang
tinggi dan pada masing-masing sisinya dilekatkan dengan upsetting atau dengan
las listrik. Setelah pengelasan pipa dibentuk menjadi dimensi yang sesuai,
seperti diameter dan panjang pipa. Pengerjaan dingin pada pipa mengakibatkan
deformasi plastis yang besar sehingga meningkatkan kekuatan yield antara 20-
40% tergantung perbandingan antara ketebalan dengan jari-jari pipa. Pengerjaan
hardening akan meningkatkan kekuatan kafatikan high-cycle tetapi mengurangi
keduktilan dan kefatikan low cycle. Sangat diperlukan pengukuran perubahan
pengerjaan dari sifat-sifat material dengan pengujian actual pada pipa.
Sifat-sifat material, seperti tegangan yield dan kekuatan tarik, biasanya
ditentukan dengan pengujian aksial. Namun demikian ada beberapa kesulitan
untuk pengujian aksial pada pipa karena bentuk geometri seperti bagian rongga
dan dinding tipis. Pencekaman dapat merusak bagian melintang dari specimen
pipa. Tonjolan atau lekukan lokal bisa terjadi pada tekanan rendah tegangan
aksial daripada yang diperlukan kolom kelekukan global.
Pengujian bending dapat digunakan untuk engatasi masalah tersebut
karena tidak memerlukan gripping. Namun, pengujian bending jiga memiliki
beberapa kekurangan. Distribusi tegangan bending tidak seragam diseluruh
penampang melintang dan penampang melintang dapat terdistorsi saat bebab
bending yang besar digunakan.
Pada kasus ini, kita mengembangkan metode pengujian untuk pipa baja
pada wilayah elastik dan plastis dan dilakukan pengujian LCF pada stainless
steel 429EM. Kami menggambarkan wilayah yang berlaku untuk pengujian LCF
pada pipa dengan teori, percobaan dan pendekatan numerik untuk
mempertimbangkan buckling aksial pipa dibawah beban monotonik dan cyclic.
2. Metode Eksperimen
Pipa stainless steel 429EM
Bahan pipa baja adalah jenis stainless steel. Umumnya banyak
digunakan untuk system yang besar untuk mesin mobil karena ketahanan korosi
yang baik. Penampang melintang pada pipa yang dibuat bukan lingkaran yang
sempurna karena tegangan residual dan seam. Diameter luar dari pipa bervariasi
antara 38,15-38,35 mm tergantung pada titik pengukurannya. Ketebalannya
hampir semuanya sama kecuali disekeliling seam.
Metode gripping untuk pipa baja
Liao et al. (5) mengembangkan sistem gripping khusus untuk tube
komposit dan melakukan pengujian monotonik dan cyclic. Pengujian tarik pada
tube berdasarkan referensi ASTM Standard D 2105 dan E 8 (6). Prinsipnya
adalah menyisipkan plug ke dalam kedua ujung dari pipa seperti yang
ditampilkan pada Gambar 1. Plug dan baji dari logam jenis pencekam dipilih
pada penelitian ini. Spesimen pipa dimesin untuk mendapatkan diameter dalam
dan diameter luar yang tetap dan permukaan dalan dan luar dihaluskan untuk
mengurangi pengaruh kekasaran permukaan. untuk mengurangi pengaruh
perbedaan dimensi antara pipa dan plug, pipa dipanaskan dalam oli panas dan
plug logam didinginkan dalam refrigerator sebelum menyisipkannya ke dalam
pipa. Ukuran spesimen pipa dan plug ditunjukkan pada Tabel 1.
Gambar 1. Metode gripping untuk pipa baja
Pengujian tarik
Pengujian tarik pipa baja stainless 429EM dilakukan berdasarkan
prosedur ASTM Standard E 8 (6). Kupon spesimen dipotong dari pipa sepanjang
arah aksial dan kedua ujung diratakan untuk gripping. Karena penampang
melintang dari kupon spesimen tidak simetrik karena lengkungan menyebabkan
regangan pada setiap sisi tidak sama. Regangan pada sisi konkaf dan konveks
diukur menggunakan strain gage dan ekstensometer. Gambar 2 menunjukkan
grafik tarik kupon spesimen yang mana regangan yang diukur adalah pada
kedua sisi spesimen. Kedua grafik bertemu saat regangan lebih dari 0,4%.
Namun awalnya kemiringan linier dari kedua grafik cukup berbeda. Pengujian
bending tiga titik pada seluruh tube dilakukan untuk memperoleh pengukuran
modulus elastik material yang lebih baik. Sifat tarik dan bending material
ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 2. Grafik tarik dari baja stainless 429EM
Buckling (tekuk) dari cylindrical shell dibawah tekanan monotonik
Selama beberapa dekade, banyak penelitian tentang tekuk pada
cylindrical shell dibawah tekanan aksial yang telah dilaporkan (7,8). Banyak
menggunakan cylindrical shell dengan perbandingan antara jari-jari dengan
ketebalan yang besar (R/t > 500) yang ditekuk pada daerah elastis. Ketika
perbandingan radius-ketebalan berkurang sampai kuarang dari 20, tekukan atau
kekuatan kritis lebih besar dari kekuatan yield. Batterman (9) dan Gerard (10)
memperoleh rumus untuk tekuk aksisimetrik dari cylindrical shell. Sobel dan
Newman (11) melakukan percobaan tekuk pada daerah plastis terhadap pipa
stainless steel 304 dan mebandingkan penelitian beban tekuk dengan analitik
solution dan analisa numerik. Ore dan Durban (12) mempelajari pengaruh batas
kondisi pada kekuatan tekuk menggunakan metode numerik.
Menurut Batterman (9), kekuatan tekuk kritis dapat diturunkan dari
persamaan equilibrium dan bentuk yang sesuai. Jika diasumsikan sebuah model
inkremental yang sesuai, persamaan (1) adalah rumus untuk kekuatan tekuk
kritis. Persamaan (2) adalah rumus berdasarkan teori deformasi.
dimana ES dan ET merupakan modulus sekan dan modulus tangent dan v adalah
Poisson’s ratio. R dan t adalah radius luar dan ketebalan pipa. Pada umumnya,
teori incremental memprediksi lebih konservatif kekuatan tekuk daripada teori
deformasi.
Gerard (10) juga menurunkan kekuatan tekuk kritis yang ditunjukkan
pada persamaan (3).
dimana
Sebagai catatan bahwa kekuatan tekuk pada persamaan (1)-(3)
tergantung pada perbandingan antara radius dengan ketebalan (R/t), tetapi tidak
tergantung pada panjang cylindrical shell.
Kekuatan tekuk plastis dari pipa baja stainless 429EM dihitung dari
persamaan (1)-(3). Untuk kemudahan perhitungan, grafik tarik disederhanakan
menjadi grafik bilinier yang memiliki tangent dari kekakuan yang konstan pada
daerah plastis sebagai berikut.
Gambar 3 menunjukkan hubungan antara tegangan dan regangan tekuk
kritis saat perbandingan radius dan ketebalan adalah 13,43. Berdasarkan
pengamatan penelitian (8,11), kita mengasumsikan bahwa prediksi dengan
persamaan (2) kekuatan tekuknya lebih kecil untuk ketebalah dinding rata-rata.
Dari perhitungan, specimen pipa akan mulai tertekuk pada tekanan tegangan
aksial lebih dari 403 MPa.
Finite element analysis adalah cara lain untuk sifat-sifat cylindrical shell.
Axisymmetric element digunakan karena tekukan axisymmetric pada kasus R/t
yang kecil (11). Sifat-sifat material diasumsikan untuk mengikuti bentuk isotropic
hardening yang parameternya diambil dari grafik tegangan-regangan tarik. Kita
definisikan beban tekuk sebagai beban tekan maksimum diamati selama
penekanan. Penempatan radial dari kedua ujung dibatasi untuk simulasi alat
gripping. Batasan ini menghasilkan perbedaan penempatan radial dekat grip
yang pada akhirnya menghasilkan tekukan aksial. Kekuatan tekuk dari metode
finite element adalah 410 MPa, yang sama dengan 2,7% regangan.
Untuk memeriksa prediksi kami menampilkan pengujian monotonic
compression menggunakan sistem gripping ditunjukkan pada Gambar 1.
Spesimen pipa ditekuk dengan cara axisymmetric dan bentuk tekukan secara
kualitatif berdasarkan prediksi dengan metode finit elemen ditunjukkan pada
gambar 4. Ketika perbandingan radiun-ketebalan adalah 13,43, tekukan terjadi
pada regangan 2,7%. Grafik tekanan tegangan-regangan didak sama dengan
grafik tegangan-regangan tarik yang diamati pada kupon spesimen. Maka dari
itu, regangan kritis dapat digunakan sebagai kriteria yang cocok untuk tekuk
plastis. Sepanjang percobaan dan analisis elemen telah dipastikan bahwa teori
prediksi persamaan (3) dapat digunakan untuk kekuatan tekuk dibawah tekanan
monotonik.
Gambar 3. Critical buckling stress of thin wall cylinder (R/t = 13,43).
Gambar 4. Axisymmetric buckling of compression test (a) Monotonic
compression test, (b) Finite element analysis.
3. Hasil dan pembahasan
Buckling (tekuk) dari cylindrical shell dibawah beban tegangan-regangan cyclic
Pada kasus beban cyclic, tekukan dapat terjadi dengan akumulasi
deformasi plastis secara berangsur-angsur, walaupun amplitudo perbandingan
radius-ketebalan kurang dari regangan tekuk kritis dibawah tekanan monotonik.
Maka dari itu, kesetabilan tekukan cyclic penting untuk sruktur dibawah kondisi
beban cyclic. Teori analisis dari kondisi buckling pada beban cyclic belum
dipublikasikan dan tidak mungkin untuk menurunkan rumus seperti seperti
persamaan (1) dan (3). Maka dari itu, kita telah menggunakan metodologi finit
elemen untuk menentukan kondisi bukling untuk kasus beban cyclic.
Gambar 5. Comparison of average stress-average strain curves.
Pengujian multi-level cylic
Pengujian multilevel cyclic dilakukan pada ketebalan spesimen pipa yang
seragam. Amplitudo regangan dinaikan dari 0,3% dengan tambahan 0,2%. 50
tegangan cycle diulang pada setiap level amplitudo regangan. Pengujian yang
sama dilakukan tiga kali untuk memperoleh hasil yang bisa dipercaya. Pengujian
akan baik jika amplitudo regangan mencapai 0,9%, ketika terjadi perubahan
tempat terjadi secara tiba-tiba. Sejak pengujian cyclic dilakukan dibawah
regangan yang dikontrol, Perubahan tempat secara berangsur-angsur pada arah
tekanan dapat dilambangkan pada perubahan bentuk spesimen, yang ditunjukan
dengan buckling. Amplitudo regangan sebesar 0,9% masih lebih kecil dari
kondisi regangan buckling dibawan tekanan monotonik. Dari penelitian ini,
ditunjukkan bahwa kondisi buckling dari beban monotonik tidak bisa diplikasikan
pada beban cyclic.
Analisis finit elemen dari pengujian cyclic
Cyclic buckling terjadi karena perubahan geometri secara bertahap yang
akhirnya akan memicu perubahan geometri secara tiba-tiba. Meskipun buckling
tidak terjadi pada beberapa cycle awal, akumulasi deformasi selama beratus-
ratus atau lebih cycle dapat mengakibatkan cyclic buckling. Analisa FE dilakukan
untuk memeriksa apakah akumulasi perubahan dimensi terjadi. Kita
menggunakan model plastisitas cyclic yang merupakan gabungan antara
kinematik hardening nonlinier dan model hardening isotropik (15). Gambar 6
menunjukkan pengulangan histerisis diambil dari 0,5% regangan cyclic dan
prediksi dengan simulasi FE. Cyclic softening dipertimbangkan menggunakan
menggunakan model hardening isotropik dengan parameter yang cocok dari
sejarah amplitudo regangan.
Fig. 6. Finite element simulation of hysteresis loops.
Gambar 7 adalah plot akumulasi regangan plastis setelah 25 siklus pada
dua amplitudo regangan (0,25 dan 0,75%). Daerah kritis dari akumulasi
regangan dan kegagalan dekat dengan daerah gripping pada kasus amplitudo
regangan yang kecil dan jarak yang dipindah dari daerah grip untuk siklus
regangan pada amplitude besar. Pada kasus lain, kegagalan tidak terjadi pada
panjang ukuran. Pemindahan radial dalam daerah buckling meningkat pada
setiap siklus meskipun siklus regangan pada amplitude yang kecil (∆ε = 0,2%)
dan tonjolan secara berangsur-angsur terjadi. Namun ketidaksesuaian
menunjukan bahwa cyclic buckling tidak dapat dideteksi dengan benar pada
jumlah siklus yang sedikit. dengan specimen dengan ketebalan yang seragam,
yaitu tidak ada pengurangan daerah pengujian, tegangan dan regangan seragam
setiap ukuran panjang, juga amplitude regangan yang besar (∆ε = 1,0%). Maka
disimpulkan bahwa specimen dengan ketebalan yang seragam baik untuk
pengujian deformasi.
Gambar 7. Contour plot of accumulated plastic strain after 25 cycles, (a) ∆ε/2 =
0,25%, (b) ∆ε/2 = 0,75%.
Diameter luar pada bagian tengah berkurang 10% untuk memisahkan sisi
retak awal pada ukuran panjang. Penurunan ini tudak mengurangi keseragaman
regangan dalam ukuran panjang. Gambar 8 menunjukkan garis akumulasi
regangan plastis dan tegangan Von Mises setelah 25 siklus 0,4% regangan.
Distribusi tegangan dan regangan hampir seragam pada ukuran anjang (0-5
mm). Ketika amplitudo regangan lebih besar dari nilai kritis, regangan sepanjang
dinding berbeda dengan cepat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Setelah
beberapa analisa perubahan amplitudo regangan berkisar 0,1-0,9%, amplitudo
regangan kritis untuk buckling sekitar 0,45%.
Gambar 8. Contour plot of accumulated plastic strain and Von Mises
stress after 25 cycles (∆ε/2 = 0,4%).
Pengujian fatik low cycle
Kebalikannya (R = -1) pengujian pengujian fatik low cycle dilakukan pada
amplitudo regangan 0,2; 0,3; 0,4 dan 0,5% dengan pengurangan ukuran
specimen. Translasi perubahan letak puncak dan perubahan bentuk tidak bisa
diamati. Cyclic softening diamati pada setiap pengujian seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 10 dan distabilkan pengulangan histeresis (Gambar 11) dari
perbedaan amplitude regangan. Munculnya fatik ditentukan dari titik mulai dari
penuruna amplitude regangan secara cepat karena mulainya pengurangan
histeresis untuk diubah bentuk setelah titik tersebut. Gambar 12 adalah
hubungan regangan untuk specimen pipa dengan 10% pengurangan. Deformasi
dan ketahanan LCF material pipa ada disetiap pengujian aksial dari spesimen
pipa.
Gambar 9. Distribution of strain through the wall in case of buckling
(∆ε/2 = 0,5%).
Gambar 10. Stress amplitude history of LCF test.
4. Kesimpulan
Ada beberapa kesulitan pada pengujian material pipa, seperti distorsi
oleh gripping dan buckling pada beban tekan. Kita mengembangkan metode
pengujian yang bisa dipakai untuk pipa baja untuk pengujian aksial LCF.
Buckling plastis dari dinding tipis pipa dibawah beban monotonik dan cyclic
dipelajari dengan teori, perhitungan dan percobaan. Pada kasus monotonik,
analisa finite element menunjukkan kesesuaian dengan hasil percobaan dan
prediksi secara teori lebih konservatif dibandingkan penaksiran standar buckling.
Dibawah bebean cyclic, regangan buckling lebih kecil daripada tekanan
monotonik. Menggunakan analisa finit elemen, kita dapatkan daerah non-
buckling yang diijinkan pada pengujian LCF.
Gambar 11. Stabilized hysteresis loops of 429EM stainless steel pipe.
Gambar 12. Strain–life relation of 429EM stainless steel pipe.
Recommended