Electronic Theses and Dissertation

Exhaust valve merupakan komponen penting pada mesin diesel yang beroperasi pada temperatur
dan tekanan tinggi, sehingga berpotensi mengalami kegagalan akibat pengaruh beban mekanik, termal,
serta kelelahan material. Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji mekanisme kegagalan exhaust valve
mesin diesel melalui analisis numerik menggunakan Metode Elemen Hingga (Finite Element
Method/FEM). Geometri exhaust valve dimodelkan berdasarkan ukuran aktual komponen, kemudian
dilakukan simulasi menggunakan perangkat lunak ANSYS Mechanical 2025. Analisis meliputi distribusi
tegangan, regangan, serta faktor intensitas tegangan (Stress Intensity Factor, K₁) pada kondisi valve tanpa
cacat dan dengan cacat retak. Material valve yang digunakan dalam simulasi adalah AISI 21-4N. Hasil
analisis menunjukkan bahwa pada kondisi tanpa cacat, nilai tegangan maksimum masih berada di bawah
batas luluh material sehingga komponen dinyatakan aman. Sebaliknya, pada model dengan cacat, terjadi
peningkatan konsentrasi tegangan yang signifikan di sekitar ujung retak. Nilai maksimum faktor intensitas
tegangan K₁ sebesar 73,12 MPa√m melampaui nilai ketangguhan retak material (KIC) sebesar 60 MPa√m,
yang menandakan kemungkinan terjadinya perambatan retak dan kegagalan struktural. Selain itu, hasil
analisis buckling memperlihatkan bahwa pada kondisi lanjut, tegangan yang timbul melebihi batas luluh
material, yang menunjukkan terjadinya ketidakstabilan struktur pada batang valve. Dengan demikian,
dapat disimpulkan bahwa keberadaan cacat retak dan tingginya beban kerja sangat berpengaruh terhadap
kegagalan exhaust valve, serta Metode Elemen Hingga efektif digunakan untuk menganalisis dan
memprediksi perilaku kegagalan komponen.

The exhaust valve is a critical component in diesel engines that operates under high temperature and pressure conditions, making it susceptible to failure due to mechanical loading, thermal effects, and material fatigue. This study aims to investigate the failure mechanism of a diesel engine exhaust valve through numerical analysis using the Finite Element Method (FEM). The exhaust valve geometry was modeled based on the actual dimensions of the component and analyzed using ANSYS Mechanical 2025. The analysis focused on stress and strain distributions as well as the Stress Intensity Factor (SIF), K₁, under conditions without defects and with crack defects. The material used in the simulation was AISI 21-4N, in accordance with the valve material specifications. The simulation results indicate that, in the absence of defects, the maximum stress remains below the material’s yield strength, confirming that the exhaust valve operates within a safe condition. However, in the defective model, a significant stress concentration occurs near the crack tip. The maximum Stress Intensity Factor, K₁, reaches 73.12 MPa√m, exceeding the fracture toughness value (KIC) of the material, which is 60 MPa√m. This condition indicates the potential for crack propagation and structural failure. Furthermore, the buckling analysis reveals that under advanced loading conditions, the induced stress exceeds the yield strength of the material, indicating structural instability in the valve stem. These results demonstrate that crack defects and high operational loads play a crucial role in exhaust valve failure, and that the Finite Element Method is an effective approach for predicting and evaluating failure behavior in diesel engine components.