JURNAL REKAYASA MESIN (JRM)
Hal: 691-700 Vol.
No.
April 2026 e-ISSN: 2988-7429.
p-ISSN: 2337-828X https://ejournal.
id/index.
php/jurnal-rekayasa-mesin Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua Desain Poros Gandar Kereta Api Menggunakan FEA (ANSYS Workbenc.
Ganda Putra Firmansyah1.
Ferly Isnomo Abdi2*.
Andita Nataria Fitri Ganda3.
Tinton Davareza4.
Dio Dwi Mubarok5 1,3,4,5Teknik Mesin.
Fakultas Vokasi.
Universitas Negeri Surabaya.
Indonesia 60231 2Teknologi Rekayasa Otomotif.
Fakultas Vokasi.
Universitas Negeri Surabaya.
Indonesia 60231 E-mail: *ferlyabdi@unesa.
Abstrak: Poros roda .
kereta api merupakan komponen vital yang berfungsi menopang beban kendaraan serta menjaga kestabilan dan keselamatan operasi.
Kegagalan pada poros dapat menimbulkan dampak serius sehingga diperlukan evaluasi desain yang andal.
Penelitian ini bertujuan membandingkan kinerja struktural dua model poros roda kereta api (Model A dan Model B) akibat pembebanan statik vertikal menggunakan metode Finite Element Analysis (FEA).
Analisis dilakukan menggunakan ANSYS Workbench dengan pembebanan maksimum sebesar 22,5 ton sesuai standar Peraturan Menteri Perhubungan Republik Indonesia Nomor 60 Tahun 2012.
Parameter yang dianalisis meliputi tegangan ekuivalen Von Mises, deformasi total, dan faktor Hasil simulasi menunjukkan bahwa Model A menghasilkan tegangan maksimum sebesar 172, 88MPa, deformasi maksimum 0,52865 mm, dan faktor keamanan minimum 1,2784, sedangkan Model B menghasilkan tegangan maksimum 328,91 MPa, deformasi maksimum 0,55679 mm, dan faktor keamanan minimum 0,67193.
Tegangan maksimum Model A masih berada di bawah batas luluh material ASTM A36 sebesar 250 MPa, sementara Model B melampaui batas tersebut.
Berdasarkan hasil ini.
Model A memiliki margin keamanan struktural yang lebih baik terhadap pembebanan statik.
Penelitian ini memberikan dasar evaluasi desain poros roda kereta api serta menunjukkan perlunya analisis lanjutan dengan pembebanan kombinasi dan evaluasi kelelahan untuk memastikan umur layanan jangka panjang.
Kata kunci: poros kereta api, finite element analysis, deformasi, faktor keamanan, tegangan von mises.
Abstract: Railway wheelset axles are critical components that support vehicle loads and ensure operational stability and safety.
Axle failure may lead to severe consequences.
therefore, reliable structural evaluation is This study aims to compare the structural performance of two railway axle models (Model A and Model B) under static vertical loading using Finite Element Analysis (FEA).
The Analysis was conducted using ANSYS Workbench with a maximum load of 22.
5 tons in accordance with the Indonesian Ministry of Transportation Regulation No.
60 of 2012.
The evaluated parameters include Von Mises equivalent stress, total deformation, and safety factor.
Simulation results indicate that Model A produces a maximum stress of 172.
MPa, a maximum deformation of 0.
52865 mm, and a minimum safety factor of 1.
2784, while Model B exhibits a maximum stress of 328.
91 MPa, a maximum deformation of 0.
55679 mm, and a minimum safety factor of The maximum stress in Model A remains below the ASTM A36 yield strength of 250 MPa, whereas Model B exceeds this limit.
These results demonstrate that Model A provides a better structural safety margin under static loading.
This study offers a fundamental basis for railway axle design evaluation and highlights the need for further Analysis involving combined loading conditions and fatigue assessment to ensure longterm service life.
Keywords: deformation, finite element analysis, railway axle, safety factor, von mises stress.
A 2026.
JRM (Jurnal Rekayasa Mesi.
dipublikasikan oleh ejournal Teknik Mesin Fakultas Vokasi UNESA.
setiap kegagalan komponen dalam sistem transportasi ini .
Poros (Axl.
pada roda kereta api merupakan komponen yang menghubungkan antara dua roda, dan menghubungkan wheelset dengan bogie kereta.
Poros ini menghubungkan dan menanggung beban statik dari berat kerata serta beban dinamis yang terjadi selama pengoperasian seperti getaran dan benturan.
Peran utamanya adalah mentransmisikan tenaga putar dari motor traksi ke roda, memungkinkan kereta api bergerak .
Posisi axle yang tertanam dalam struktur
PENDAHULUAN
Kereta api sebagai teknologi transportasi yang berkembang pesat memiliki banyak keunggulan, seperti efisiensi bahan bakar, waktu, keamanan, dan kemampuan mengangkut beban besar .
Seiring meningkatnya kebutuhan akan perjalanan antarkota maupun komuter harian, maka sistem kereta api dituntut untuk terus meningkatkan layanan dari sisi efisiensi energi, keandalan operasi, dan kenyamanan pengguna .
Selain itu, aspek keselamatan menjadi perhatian utama, mengingat potensi dampak besar dari Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026: 691- 700 bogie membuatnya sangat vital dalam menjaga stabilitas dan keamanan operasi kereta .
Namun, axle sangat rentan terhadap kerusakan akibat beban siklik selama perjalanan, terutama pada jalur berkecepatan tinggi atau saat terjadi getaran resonansi yang tidak teredam dengan baik .
Beban dinamis dan getaran ini dapat memicu kelelahan material .
, yang berujung pada retakan mikro dan potensi patahnya axle, sehingga pemantauan dan desain yang cermat sangat diperlukan .
Kegagalan pada poros roda .
kereta api merupakan salah satu isu krusial dalam keselamatan perkeretaapian, mengingat komponen ini berperan vital dalam menyalurkan beban statis dan dinamis dari struktur kereta ke rel .
Kasus-kasus kegagalan axle yang dilaporkan di Indonesia maupun global umumnya diawali dengan retakan mikro akibat kelelahan material .
yang berkembang secara progresif hingga menyebabkan patah total dan lepasnya roda dari jalur .
Tantangan dalam desain axle tidak hanya terletak pada pembebanan vertikal konstan dari bobot kereta, tetapi juga gaya dinamis kompleks seperti gaya sentrifugal saat menikung, serta kejutan .
hock load.
dari ketidakteraturan permukaan Akumulasi siklus tegangan inilah yang mempercepat kegagalan lelah, terutama jika material dan geometri axle tidak dirancang dengan optimal .
Oleh karena itu, analisis berbasis Finite Element method (FEM) menjadi solusi penting untuk memvalidasi struktur axle, dan menyesuaikan dimensi atau bentuk terhadap titik kritis kegagalan .
Selain simulasi numerik, pemilihan material logam berkekuatan tinggi dengan ketahanan terhadap fatigue dan peredaman getaran sangat direkomendasikan untuk meminimalkan pengaruh resonansi dan vibrasi frekuensi tinggi yang sering terjadi pada kecepatan tinggi .
Perkembangan teknologi telah mendorong peralihan signifikan dari metode analisis struktur konvensional menuju pendekatan berbasis simulasi numerik, terutama dengan penerapan Finite Element Analysis (FEA) dalam bidang teknik perkeretaapian .
FEA memberikan kemampuan untuk memodelkan struktur secara detail dan realistis, sehingga memungkinkan prediksi yang akurat terhadap distribusi tegangan, deformasi, serta titik kegagalan pada komponen mekanis seperti axle kereta api .
Penggunaan simulasi FEA dalam proses desain dan optimasi komponen kereta memberikan efisiensi yang tinggi dalam hal waktu, biaya, dan keselamatan, terutama pada fase prototipe digital sebelum produksi .
Namun, kajian literatur menunjukkan bahwa sebagian besar penelitian masih berfokus pada desain axle standar tanpa membandingkan variasi model axle secara menyeluruh dari segi performa struktur, terutama terkait distribusi tegangan dan displacement .
Minimnya eksplorasi mengenai faktor keamanan antara berbagai desain axle mengindikasikan adanya kesenjangan penelitian yang perlu dijembatani melalui studi komparatif.
Studi semacam ini penting untuk memberikan dasar objektif dalam pemilihan desain axle yang optimal, sehingga dapat meningkatkan efisiensi dan keandalan operasional kereta api di masa Berdasarkan kajian literatur, belum banyak penelitian yang membahas analisis komparatif variasi geometri axle kereta api terhadap respons tegangan, deformasi, dan faktor keamanan pada kondisi beban gandar maksimum, khususnya pada standar jalan rel kelas I.
Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menganalisis dan membandingkan kinerja struktural beberapa model geometri axle kereta api menggunakan pendekatan Finite Element Analysis (FEA) pada beban gandar sebesar 22,5 ton.
Kontribusi penelitian ini diharapkan mampu mengidentifikasi area kritis tegangan serta memberikan rekomendasi desain geometri axle yang lebih aman dan andal untuk mendukung keselamatan operasional kereta api.
DASAR TEORI
Poros (Axl.
Kereta Api Poros roda kereta api merupakan komponen utama dalam sistem bogie yang berfungsi menghubungkan dua roda dan menopang berbagai beban selama operasi, meliputi beban vertikal dari berat kendaraan, beban lateral saat kereta melewati tikungan, serta momen torsi akibat proses pengereman dan akselerasi .
Kombinasi pembebanan tersebut menyebabkan poros mengalami kondisi lentur, puntir, dan beban dinamis berulang yang berpotensi menimbulkan kelelahan material, khususnya pada area transisi diameter atau fillet yang menjadi lokasi konsentrasi tegangan tinggi akibat perubahan geometri .
, .
Berdasarkan konstruksinya, poros roda kereta api umumnya diklasifikasikan menjadi poros padat dan poros berongga, di mana poros padat memiliki kekuatan struktural tinggi dan banyak digunakan pada kereta konvensional, sedangkan poros berongga menawarkan pengurangan massa yang signifikan sehingga meningkatkan efisiensi energi, meskipun menuntut proses manufaktur yang lebih presisi untuk mencegah cacat mikro .
, .
Oleh karena itu, perancangan poros roda modern sangat bergantung pada pemilihan material yang tepat serta dukungan analisis elemen hingga untuk mengevaluasi distribusi tegangan dan deformasi, sehingga umur layanan poros dapat ditingkatkan dan risiko kegagalan dini dapat diminimalkan .
, .
Material Baja ASTM A36 Baja karbon ASTM A36 merupakan salah satu material struktur yang banyak dimanfaatkan dalam bidang teknik karena perpaduan antara kekuatan, keuletan, serta ketersediaannya yang melimpah.
Karakteristik mekanik utama yang digunakan dalam analisis simulasi biasanya mencakup Modulus Elastisitas, rasio Poisson, tegangan luluh .
ield strengt.
, dan densitas.
Kombinasi sifat-sifat tersebut Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 menjadikan ASTM A36 sangat sesuai untuk komponen struktural yang menahan beban statis dengan intensitas menengah hingga tinggi.
Berdasarkan hasil studi eksperimental dan karakterisasi material di Indonesia, sifat mekanik dasar baja ASTM A36 menunjukkan konsistensi pada sampel pelat, serta memperlihatkan pengaruh signifikan dari proses perlakuan panas maupun pengelasan terhadap performa mekanisnya.
Oleh karena itu, parameter standar material ini dapat digunakan sebagai acuan awal yang andal dalam proses simulasi berbasis Finite Element Analysis (FEA) .
Tabel I.
Sifat Kimia ASTM A36 Komposisi Properti .
t%) 0,27 1,03 0,28 Sumber : .
Properti Properti Komposisi .
t%) 0,20 0,050 0,040 Tabel II.
Sifat Mekanik ASTM A36
Nilai Satuan Keterangan 7,85 g/m3 Massa jenis Mpa
Modulus elatisitas Mpa
Kekuatan tarik
Yield Strength
(EA)
Mpa Batas elastis/tegangan Shear Modulus (G) Gpa Modulus geser Density YoungAos Modulus Tensile Strength (Ultimat.
Sumber : .
Sifat material memiliki peranan yang sangat penting dalam menentukan respons struktural pada Modulus Elastisitas berfungsi sebagai penentu tingkat kekakuan keseluruhan, di mana nilai E yang lebih tinggi akan menghasilkan deformasi elastis yang lebih kecil ketika menerima beban dengan besar yang Sementara itu.
Yield Strength menjadi batas awal terjadinya deformasi plastis dan digunakan sebagai dasar dalam perhitungan safety factor.
Selain itu, aspek mikrostruktur material yang dapat berubah akibat proses pendinginan atau pengelasan dapat mempengaruhi kekuatan tarik serta keuletan baja, sehingga berdampak langsung pada distribusi tegangan dan ketahanan terhadap kelelahan dalam jangka panjang.
Sejumlah penelitian di tingkat nasional juga menunjukkan bahwa variasi pada perlakuan termal dan proses pengelasan memberikan pengaruh nyata terhadap sifat mekanik baja ASTM A36, sehingga faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan ketika hasil simulasi dibandingkan dengan karakteristik komponen hasil produksi aktual .
Tegangan Von Mises Tegangan ekuivalen Von Mises (EC.
merupakan besaran skalar yang digunakan untuk mengevaluasi kemungkinan terjadinya luluh .
pada material ulet yang mengalami kombinasi tegangan normal dan geser dalam kondisi multiaxial.
Konsep ini didasarkan pada teori energi distorsi, yang menyatakan bahwa deformasi plastis akan terjadi ketika energi distorsi mencapai nilai kritis yang setara dengan kondisi luluh pada uji tarik satu arah.
Dengan demikian, kriteria Von Mises memungkinkan kondisi pembebanan kompleks disetarakan menjadi satu nilai tegangan ekuivalen yang dapat langsung dibandingkan dengan batas luluh material .
Besarnya tegangan ekuivalen Von Mises dinyatakan dengan persamaan berikut.
yuayce = [.
uaycu yuayc ) .
uayc Oe yuayc ) .
uayc Oe yuaycu )2 6 .
uaycuyc yuaycyc yuaycuyc Sumber : .
Dimana:
= tegangan normal (MP.
= tegangan geser (MP.
Nilai ECc yang diperoleh dari hasil simulasi kemudian dibandingkan dengan yield strength material untuk menilai tingkat keamanan desain, di mana nilai ECc yang berada di bawah batas luluh menunjukkan bahwa struktur masih berada dalam kondisi elastis dan aman dari deformasi plastis permanen .
Pendekatan ini banyak digunakan dalam analisis struktur berbahan baja karena efektif dalam memprediksi distribusi tegangan dan mengidentifikasi area konsentrasi tegangan tinggi, sehingga pada penelitian ini tegangan Von Mises dijadikan parameter utama dalam evaluasi dan perbandingan kinerja struktural desain poros roda kereta api sebelum dianalisis lebih lanjut dari sisi deformasi dan faktor keamanan.
Total Deformation Total deformation merupakan besaran yang menunjukkan perpindahan keseluruhan suatu struktur akibat pengaruh beban eksternal, baik statik maupun dinamik, yang dihitung sebagai perpindahan maksimum titik-titik pada struktur terhadap posisi Dalam analisis menggunakan Finite Element Analysis (FEA), nilai ini diperoleh melalui perhitungan numerik dengan mempertimbangkan sifat material, kondisi batas, serta distribusi gaya pada setiap elemen, sehingga dapat digunakan sebagai indikator kestabilan struktur dan kesesuaian desain terhadap batas perpindahan yang diizinkan oleh standar teknis.
Parameter total deformation juga berperan dalam mengidentifikasi area kritis yang berpotensi mengalami defleksi berlebih dan memengaruhi kinerja sistem secara keseluruhan .
Besarnya deformasi total pada suatu titik dapat dihitung menggunakan persamaan dibawah ini yang merepresentasikan perpindahan resultan dari ketiga arah tersebut.
ycNya = OoycU 2 ycU 2 ycs 2 Sumber : .
Dalam konteks rekayasa struktur logam, nilai total deformation digunakan untuk menilai kemampuan struktur dalam menahan beban tanpa mengalami deformasi permanen yang signifikan, di Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 mana deformasi yang melampaui batas desain dapat mengindikasikan risiko kegagalan Beberapa penelitian menunjukkan bahwa analisis deformasi total berbasis FEA efektif dalam memvisualisasikan respons struktur dan memprediksi lokasi defleksi maksimum pada komponen mekanis, sehingga dapat dijadikan dasar verifikasi desain sebelum dilakukan evaluasi lanjutan terhadap tegangan ekuivalen dan faktor keamanan .
, .
Safety Factor Faktor keamanan .
afety facto.
merupakan parameter penting dalam analisis desain teknik yang digunakan untuk memastikan struktur bekerja dengan aman di bawah berbagai kondisi beban.
Secara umum, faktor keamanan didefinisikan sebagai rasio antara kekuatan maksimum material terhadap tegangan maksimum yang terjadi selama operasi, dinyatakan dalam persamaan:
yuaycycnyceycoycc ycIya = .
yuaycoycaycoyc Sumber : .
Dimana:
= Faktor Keamanan yuaycycnyceycoycc = Tegangan luluh material (MP.
yuaycoycaycoyc = Tegangan maksimum (MP.
Nilai faktor keamanan menunjukkan margin keselamatan suatu komponen terhadap kegagalan akibat beban berlebih.
Menurut Marpaung.
Wibowo dan Harmadi .
, penggunaan Finite Element Analysis (FEA) membantu menentukan nilai faktor keamanan secara akurat dengan memvisualisasikan distribusi tegangan dan memprediksi titik kritis pada struktur baja.
Dalam praktiknya, standar internasional seperti ASME dan ISO umumnya mensyaratkan nilai SF lebih besar dari 1,5 agar struktur dinilai aman terhadap deformasi plastis.
Nilai faktor keamanan .
afety facto.
dibagi menjadi tiga kategori, seperti yang tertera dalam tabel berikut:
Tabel i.
Nilai Faktor Keamanan (Safety Facto.
Zona Faktor Rentang Nilai SF Keterangan Keamanan Struktur memiliki Aman SF > 1.
cadangan kuat 0 O SF Ou 1.
Kritis Dekati batas leleh Potensi deformasi atau Tidak Aman SF < 1.
Sumber : .
Dalam penerapannya, faktor keamanan tidak hanya menilai kekuatan terhadap beban statis, tetapi juga mempertimbangkan efek dinamis, kelelahan, dan kemungkinan terjadinya deformasi jangka panjang.
Nilai SF yang rendah menandakan bahwa tegangan kerja mendekati kekuatan luluh material, sehingga struktur berisiko mengalami kerusakan atau retak awal akibat pembebanan berulang.
Pada penelitian Wibowo.
Zaenudin dan Saleh, .
menunjukkan bahwa pada analisis as roda dump truck berbahan baja AISI 1035, nilai SF di bawah 1,2 mengindikasikan potensi kegagalan akibat tegangan berlebih pada daerah fillet.
Sementara itu, penelitian .
pada struktur baja galvanis memperlihatkan bahwa nilai SF di atas 2 dianggap optimal untuk menahan beban dinamis tanpa deformasi plastis permanen.
Dengan demikian, perhitungan faktor keamanan menjadi elemen kunci dalam memastikan integritas dan keandalan struktur hasil simulasi FEA.
Finite Element Analysis (FEA) Metode Elemen Hingga (Finite Element Analysis/FEA) merupakan metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan mekanika kontinu dengan cara mendiskretisasi struktur menjadi elemen-elemen kecil yang saling terhubung pada titik simpul .
Setiap elemen direpresentasikan oleh persamaan matematis yang menggambarkan hubungan antara gaya, tegangan, dan Pendekatan ini memungkinkan analisis perilaku struktur yang kompleks seperti tegangan maksimum, distribusi regangan, serta perpindahan total akibat beban kerja tertentu.
Menurut Kurniawan.
Romahadi dan Fitri .
FEA banyak diterapkan pada bidang teknik mesin dan struktur karena akurasi tinggi dalam memprediksi respon material terhadap Tabel IV.
Langkah Ae Langkah Dalam Analisis FEA Tahapan Deskripsi Membuat model geometri, mendefinisikan Pre - processing material, dan melakukan meshing.
Menentukan Processing pembebanan, serta menjalankan solver.
Menganalisis hasil berupa tegangan.
Post - processing deformasi, dan faktor keamanan.
Sumber : Penulis Proses ini memberi peluang bagi perancang what-if Analysis, membandingkan berbagai alternatif desain secara virtual melalui simulasi komputer, tanpa perlu membuat prototipe fisik, sehingga lebih hemat waktu dan biaya .
METODE
Penelitian ini menggunakan pendekatan analisis numerik berbasis Finite Element Analysis (FEA) untuk menganalisis kekuatan struktural dua model poros roda kereta api .
dengan geometri berbeda.
Tahapan metode penelitian meliputi pembuatan model 3D, pemilihan material, penentuan kondisi batas, pemberian beban kerja, dan analisis hasil menggunakan perangkat software ANSYS Workbench Seluruh tahapan dilakukan dengan tujuan mengevaluasi pengaruh perbedaan geometri terhadap tegangan Von Mises, deformasi total, serta faktor keamanan poros roda kereta api.
Desain 2D dan Model Geometri Poros Kereta Dalam penelitian ini, dua model poros roda kereta api (Axl.
dipilih berdasarkan gambar teknik yang lazim digunakan pada industri perkeretaapian di Indonesia.
Pemilihan dua model ini bertujuan untuk membandingkan karakteristik kekuatan akibat variasi geometri poros, sehingga dapat dianalisis bagaimana Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 perbedaan desain memengaruhi distribusi tegangan dan performa struktural poros roda pada kondisi beban Gambar 1.
Desain 2D Poros Kereta Model A Sumber : Dokumentasi Penulis Gambar 2.
Desain 2D Poros Kereta Model B Sumber : Dokumentasi Penulis Perbedaan kunci antara kedua model axle tersebut terletak pada dimensi dan bentuk Model A memiliki panjang total sekitar 1820 mm, dengan diameter poros tengah yang meruncing, diameter tumpuan bogie lebih besar, dan diameter tumpuan roda juga lebih besar.
Sebaliknya.
Model B memiliki panjang total sedikit lebih panjang, namun diameter poros tengah yang sejajar, dengan diameter tumpuan bogie dan tumpuan roda yang lebih kecil dibanding Model A.
Selain itu, area transisi pada Model A menggunakan radius transisi yang lebih kecil dibanding Model B yang memiliki radius transisi lebih besar untuk mengurangi konsentrasi tegangan.
Berikut dibawah ini tabel ringkasan perbandingan dimensi desain poros roda Model A dan B dengan satuan mm.
Tabel V.
Ringkasan Perbandingan Dimensi Desain Poros Model A dan B Dimensi .
Geometri Keterangan Model A Model B
Panjang Panjang 1865,42 Poros Diameter Menumpu OI 131,8 OI 119,16 Bogie Diameter OI 192
OI 188,5
Ditumpu roda
Roda
OI 171,5
Diameter Diameter OI 160 (Sedikit Poros Panjang Panjang Poros Tengah poros tengah Sumber : Penulis Pemilihan Material Material memiliki peran yang sangat penting dalam analisis struktur poros kereta api, karena memengaruhi respons terhadap beban yang bekerja.
Dalam penelitian ini digunakan baja karbon ASTM A36, yang umum diaplikasikan pada komponen struktural dan transportasi karena menawarkan kombinasi yang baik antara kekuatan tarik, keuletan, kemudahan proses fabrikasi, serta ketersediaan material yang melimpah.
Parameter mekanik utama yang digunakan dalam simulasi meliputi Modulus Elastisitas.
PoissonAos Ratio.
Yield Strength, dan Density sebagaimana disajikan pada Tabel II.
Nilainilai tersebut digunakan untuk memastikan bahwa hasil analisis numerik dapat merepresentasikan perilaku material secara realistis.
Parameter mekanik ini juga menjadi dasar dalam perhitungan tegangan dan deformasi akibat beban vertikal yang diterima roda, sehingga memungkinkan evaluasi yang lebih akurat terhadap kinerja struktural dari setiap variasi desain.
Pemberian Meshing Pada tahap pemberian mesh, model poros kereta api yang telah diimpor ke dalam ANSYS Workbench 2 diproses menggunakan metode meshing berbasis elemen solid tetrahedral.
Metode ini dipilih karena mampu menyesuaikan dengan geometri poros yang kompleks serta memberikan distribusi elemen yang merata pada seluruh bagian model.
Ukuran elemen mesh ditetapkan sebesar 5 mm untuk menghasilkan keseimbangan antara tingkat ketelitian hasil simulasi dan efisiensi waktu komputasi.
Visualisasi hasil meshing pada model poros ditunjukkan pada gambar Gambar 3.
Mesh 3D Poros Kereta Model A Sumber : Penulis Gambar 4.
Mesh 3D Poros Kereta Model B Sumber : Penulis Pemberian mesh bertujuan untuk membagi geometri poros menjadi elemen-elemen kecil sehingga perhitungan numerik pada metode elemen hingga Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 dapat dilakukan secara akurat.
Kerapatan mesh yang digunakan telah mempertimbangkan area-area kritis seperti perubahan diameter dan fillet, yang berpotensi mengalami konsentrasi tegangan.
Dengan pengaturan mesh yang sesuai, hasil analisis diharapkan mampu merepresentasikan distribusi tegangan dan deformasi poros secara realistis.
Tabel VI.
Jumlah Node dan Elemen pada Model Poros Deskripsi Parameter Model A Model B Jumlah Node Jumlah Element Ukuran Mesh 5 mm Sumber: Penulis Berdasarkan hasil proses meshing, diperoleh jumlah node dan elemen yang memadai untuk mendukung analisis elemen hingga secara stabil.
Jumlah node dan elemen tersebut menunjukkan bahwa model telah terdiskretisasi dengan baik tanpa menghasilkan beban komputasi yang berlebihan.
Dengan demikian, mesh yang digunakan dianggap telah memenuhi kebutuhan analisis dan dapat digunakan sebagai dasar untuk tahap simulasi Uji Konvergensi Mesh Uji konvergensi mesh dilakukan untuk memastikan bahwa hasil simulasi numerik tidak dipengaruhi secara signifikan oleh variasi ukuran elemen mesh.
Parameter yang digunakan dalam uji konvergensi ini adalah tegangan Von Mises maksimum, karena parameter tersebut sensitif terhadap perubahan kerapatan mesh dan umum digunakan dalam evaluasi kekuatan material.
Pengujian dilakukan dengan memvariasikan tingkat mesh, yaitu mesh tingkat 5, 7, dan 10, kemudian membandingkan hasil tegangan Von Mises yang diperoleh pada setiap variasi mesh.
menghasilkan representasi geometri yang lebih halus dan mengurangi efek konsentrasi tegangan numerik.
Pada penelitian ini, mesh tingkat 5 dipilih sebagai mesh analisis, dengan pertimbangan bahwa mesh tersebut telah mampu merepresentasikan respons tegangan poros secara memadai serta memberikan keseimbangan antara tingkat akurasi hasil dan efisiensi waktu komputasi.
Boundary Conditions dan Pembebanan Pendekatan kondisi batas pada penelitian ini didasarkan pada teori dasar bantalan .
sebagai elemen mesin yang berfungsi membatasi gerak relatif poros agar tetap bergerak pada arah yang diinginkan serta menopang beban kerja yang diterima poros.
Secara teoritis, bearing berperan menjaga poros tetap berputar terhadap sumbunya sekaligus menahan beban radial, aksial, maupun kombinasi keduanya sesuai klasifikasinya .
Dalam sistem wheelset kereta api, poros roda ditopang oleh bearing yang umumnya bekerja menahan beban radial akibat berat kereta, serta sebagian beban aksial akibat gaya operasi, sehingga secara fungsional termasuk dalam kategori bantalan Oleh karena itu, pemodelan penumpuan poros menggunakan remote displacement pada dua lokasi wheelset dipilih untuk merepresentasikan perilaku bearing secara lebih realistis dibandingkan penggunaan fixed support.
Gambar 6.
Remote Displacement pada Bearing Kanan Poros Sumber : Penulis Gambar 7.
Remote Displacement pada Bearing Kiri Poros Sumber : Penulis Gambar 5.
Grafik Hasil Uji Konvergensi Mesh Sumber : Penulis Hasil uji menunjukkan bahwa semakin besar tingkat mesh yang digunakan, nilai tegangan Von Mises yang dihasilkan semakin kecil, yang mengindikasikan bahwa peningkatan kerapatan mesh Penerapan dua remote displacement pada sisi kanan dan kiri poros mengikuti prinsip kerja sistem bantalan, di mana satu bearing berfungsi sebagai locating bearing yang membatasi perpindahan aksial poros, sedangkan bearing lainnya berfungsi sebagai floating bearing yang membebaskan perpindahan Konsep ini sejalan dengan teori bantalan yang menyatakan bahwa pembatasan gerak aksial tidak boleh dilakukan pada kedua sisi poros secara Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 bersamaan karena dapat menimbulkan tegangan tambahan akibat pemuaian termal dan ketidaksejajaran .
Dengan pengaturan ini, poros tetap mampu mengalami deformasi lentur dan rotasi secara alami, sementara beban radial dan aksial dapat disalurkan sesuai fungsi bearing dalam sistem nyata.
Gambar 8.
Penerapan Beban Gaya pada Ujung Poros Sumber : Penulis Pembebanan pada poros dimodelkan sebagai gaya tekan vertikal yang merepresentasikan beban gandar maksimum, di mana beban ini secara fisik diteruskan dari struktur bogie ke poros melalui sistem Sesuai dengan teori bantalan radial dan kombinasi, beban vertikal utama yang diterima poros akan ditahan oleh bearing dalam arah radial.
Besarnya gaya ditentukan berdasarkan Peraturan Menteri Perhubungan Republik Indonesia Nomor 60 Tahun 2012 yang menetapkan beban gandar maksimum sebesar 22,5 ton untuk jalur kelas I .
, sehingga pada analisis ini digunakan beban sebesar 22,5 ton atau setara dengan 220.
725 N.
Kombinasi antara pemodelan remote displacement sebagai representasi bantalan dan penerapan beban sesuai standar regulasi memungkinkan simulasi menghasilkan respons global poros yang konsisten dengan prinsip kerja bearing dalam sistem wheelset kereta api, meskipun roda dan bogie tidak dimodelkan secara eksplisit.
Prosedur Analisis Analisis pada penelitian ini dilakukan menggunakan modul Static Structural dalam perangkat lunak ANSYS Workbench untuk mempelajari respons mekanik kedua model poros kereta api akibat pembebanan statik.
Pendekatan ini digunakan untuk merepresentasikan kondisi awal beban vertikal tanpa mempertimbangkan efek dinamis, sehingga distribusi tegangan dan deformasi dapat diamati secara jelas sebagai dasar evaluasi kekuatan struktural desain sebelum dilakukan analisis lanjutan.
Gambar 9.
Diagram Alir Analisis di Ansys Sumber : Penulis Evaluasi membandingkan Model A dan Model B berdasarkan tiga parameter utama, yaitu tegangan ekuivalen, deformasi total, dan faktor keamanan.
Desain poros dinilai lebih optimal apabila menghasilkan tegangan dan deformasi yang lebih rendah serta faktor keamanan yang lebih tinggi, sehingga mampu menahan beban secara lebih andal dan aman dalam mendukung operasi kereta api.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada tahap ini dilakukan analisis hasil simulasi menggunakan ANSYS Workbench 17.
2 untuk mengevaluasi respons struktural dua model poros roda kereta api, yaitu Model A dan Model B.
Parameter utama yang dianalisis meliputi Tegangan Von Mises.
Total Deformation, dan Safety Factor, yang digunakan untuk menggambarkan perilaku mekanik poros terhadap pembebanan statik vertikal yang bekerja pada sumbu Y.
Hasil analisis ini digunakan untuk membandingkan kinerja kedua model serta menilai tingkat keamanan struktur berdasarkan batas kekuatan material ASTM A36.
Tegangan Von Mises Analisis tegangan Von Mises dilakukan untuk mengidentifikasi besarnya tegangan maksimum yang terjadi serta lokasi konsentrasi tegangan pada kedua model poros akibat pembebanan statik.
Gambar 10.
Distribusi Tegangan Von Mises Model A Sumber : Penulis Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 lebih rendah sekitar 5,1% dibandingkan Model B.
Perbedaan ini menunjukkan bahwa Model A memiliki kemampuan yang lebih baik dalam menahan perubahan bentuk akibat pembebanan statik.
Meskipun kedua model masih berada dalam rentang deformasi elastis.
Model A menunjukkan respons struktural yang lebih stabil dibandingkan Model B.
Gambar 11.
Distribusi Tegangan Von Mises Model B Sumber : Penulis Hasil simulasi menunjukkan bahwa Model A mengalami tegangan Von Mises maksimum sebesar 172,88 MPa, sedangkan Model B mencapai 328,91 MPa.
Tegangan maksimum pada kedua model terjadi pada area transisi diameter poros yang merupakan titik kritis akibat perubahan geometri.
Nilai tegangan maksimum Model A tercatat lebih rendah sekitar 47,4% dibandingkan Model B.
Selain itu, nilai tegangan maksimum pada Model A masih berada di bawah batas luluh material ASTM A36 sebesar 250 MPa, sehingga secara struktural masih berada dalam kondisi aman terhadap terjadinya deformasi plastis.
Sebaliknya, nilai tegangan maksimum pada Model B telah melampaui batas yield strength, yang mengindikasikan potensi terjadinya kegagalan material apabila beban serupa terus bekerja.
Safety Factor Analisis safety factor dilakukan untuk menilai tingkat keamanan struktur poros terhadap batas kekuatan material, dengan fokus pada nilai safety factor minimum yang terjadi pada area kritis.
Gambar 14.
Distribusi Safety Factor Model A Sumber : Penulis Total Deformation Analisis total deformation dilakukan untuk mengevaluasi besarnya deformasi maksimum yang terjadi pada poros sebagai respons terhadap pembebanan statik vertikal.
Gambar 15.
Distribusi Safety Factor Model B Sumber : Penulis Gambar 12.
Distribusi Total Deformation Model A Sumber : Penulis Gambar 13.
Distribusi Total Deformation Model B Sumber : Penulis Hasil simulasi menunjukkan bahwa Model A mengalami deformasi maksimum sebesar 0,52865 mm, sedangkan Model B mengalami deformasi maksimum sebesar 0,55679 mm.
Berdasarkan perbandingan tersebut, deformasi maksimum Model A Hasil analisis menunjukkan bahwa Model A memiliki nilai safety factor minimum sebesar 1,2784, sedangkan Model B memiliki nilai minimum sebesar 0,67193, di mana nilai safety factor minimum pada Model A tercatat lebih tinggi sekitar 90,3% dibandingkan Model B.
Nilai safety factor Model A yang berada di atas satu menunjukkan bahwa struktur masih memiliki margin keamanan terhadap pembebanan statik, sementara nilai safety factor Model B yang berada di bawah satu mengindikasikan kondisi struktur yang tidak aman dan berpotensi mengalami kegagalan material pada area kritis.
Berdasarkan klasifikasi faktor keamanan, rentang nilai 1,0 O SF O 1,5 termasuk dalam kategori kritis yang berada dekat dengan batas leleh material .
Tabel VII.
Hasil Analisis Perbandingan Model A dan Model B Parameter Batas Model A Model B Tegangan Von Min Mises (MP.
Max
172,88
328,91
Total
Min Deformation Max
0,52865
0,55679
Min 1,2784 0,67193 Safety Factor Max Sumber : Penulis Ganda Putra Firmansyah, dkk.
| Studi Komparatif Kekuatan Struktural Dua.
Jurnal Rekayasa Mesin (JRM).
Vol.
No.
April 2026:691- 700 Berdasarkan ringkasan hasil perbandingan pada Tabel VII.
Model A menunjukkan performa struktural yang lebih baik dibandingkan Model B dalam menahan pembebanan statik vertikal, yang ditunjukkan oleh nilai tegangan Von Mises maksimum yang lebih rendah, deformasi total yang lebih kecil, serta nilai safety factor minimum yang lebih tinggi dan berada di atas satu, sehingga memenuhi batas kekuatan material ASTM A36.
Sebaliknya.
Model B menghasilkan tegangan maksimum dan deformasi yang lebih besar serta safety factor minimum di bawah satu, yang mengindikasikan kondisi struktur yang lebih kritis pada area tertentu.
Hasil ini menunjukkan bahwa, pada kondisi pembebanan statik yang dianalisis.
Model A memiliki margin keamanan struktural yang lebih baik dibandingkan Model B.
SIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis statik menggunakan metode Finite Element Analysis (FEA).
Model A menunjukkan kinerja struktural yang lebih baik dibandingkan Model B, ditinjau dari nilai tegangan Von Mises maksimum sebesar 172,88 MPa yang masih berada di bawah batas luluh material ASTM A36 sebesar 250 MPa, serta lebih rendah dibandingkan Model B yang mencapai 328,91 MPa.
Selain itu.
Model A mengalami deformasi maksimum sebesar 0,52865 mm, lebih kecil dibandingkan Model B sebesar 0,55679 mm, yang menunjukkan respons struktur yang lebih stabil terhadap pembebanan statik Dari sisi keamanan struktur.
Model A memiliki nilai safety factor minimum sebesar 1,2784, sedangkan Model B hanya sebesar 0,67193, sehingga Model A masih memiliki margin terhadap terjadinya yielding pada kondisi pembebanan yang dianalisis.
Hasil ini memberikan indikasi bahwa Model A memiliki tingkat keandalan struktural yang lebih baik pada analisis statik, namun belum dapat digunakan untuk menyimpulkan ketahanan terhadap kelelahan material, sehingga evaluasi lanjutan melalui analisis beban kombinasi .
ertikal, lateral, dan torsi serta analisis kelelahan menggunakan pendekatan kurva SAeN atau strain-life diperlukan untuk memastikan umur layanan poros secara .
REFERENSI