ANALISIS TEGANGAN PADA SAYAP HORIZONTAL BAGIAN EKOR AEROMODELLING

Transkripsi

1 ANALISIS TEGANGAN PADA SAYAP HORIZONTAL BAGIAN EKOR AEROMODELLING TIPE GLIDER AKIBAT LAJU ALIRAN UDARA DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE BERBASIS COMPUTIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) Ricky Surya Miraza 1, Ikhwansyah Isranuri 2, 1 Mahasiswa Teknik Mesin USU 2 Staf Pengajar Teknik Mesin USU Abstrak Karakteristik aerodinamika merupakan suatu hal yang sangat penting dalam bidang ilmu aplikasi aerodinamika yang ditujukan untuk mendapatkan bentuk benda yang aerodinamis. Begitu juga dengan karakteristik pada sayap horisontal bagian ekor yang ditujukan untuk keseimbangan yang mengakibatkan hidung pesawat naik dan turun, juga keseimbangan akibat pengaruh laju aliran udara terhadap tegangan pada sayap ekor horisontal. Letak dari sayap horisontal bagian ekor ini juga berpengaruh terhadap aliran fluida yang mengalir melaluinya. Jenis airfoil yang biasanya digunakan pada sayap horisontal bagian ekor adalah airfoil Eppler 168 yang memiliki keunggulan dibandingkan dengan lembaran balsa datar. Dengan metode simulasi menggunakan software solidwork yang mempunyai keunggulan dibandingkan software sejenisnya. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui nilai tegangan serta hasil grafik pada sayap horisontal bagian ekor tipe glider akibat laju aliran udara yang diberikan masingmasing kecepatana 50 km/jam, 55 km/jam, 60 km/jam, 65 km/jam dan 70 km/jam sesuai dengan keadaan sebenarnya dari pesawat aeromodelling tipe glider pada penelitian ini yang mana kesimpulan yang diperolah semakin tinggi kecepatan pesawat aeromodelling maka tegangan yang diterima sayap horisontal bagian ekor semakin besar terutama pada bagian leading edge. Kata Kunci: Aerodinamika, Sayap Horisontal Bagian Ekor, Kecepatan, Tekanan, Tegangan, Solidwork 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Banyak orang bertanya-tanya kenapa pesawat bisa terbang, padahal pesawat memiliki badan yang besar dan terbuat dari baja. Jika dipandang secara kasat mata, orang awam yang hanya tahu tentang ilmu gravitasi akan berkata setiap benda pasti jatuh, tetapi pada kenyataannya pesawat terbang tersebut melayang dengan tenang di udara. Pengaruh dari tekanan dan kecepatanlah yang merupakan jawaban dari semua pertanyaan tersebut. Besaran tekanan dan kecepatan merupakan bagian yang mendasari ilmu aerodinamika. Dengan kedua besaran tersebut, dapat dilakukan beberapa analisis, baik berupa gaya angkat (lift), gaya tekan/hambat (drag) yang diakibatkan oleh aliran fluida. Agar pesawat bisa terbang, kondisi gaya berat (W) harus lebih kecil daripada lift (L), gaya dorong/thrust (Th) harus lebih besar daripada drag (D). Pada keadaan stabil, yaitu pesawat melaju dengan kecepatan konstan, maka kondisi gaya berat (W) harus sama dengan lift (L), gaya dorong / thrust (Th) harus sama dengan drag (D). Untuk mengahasilkan gaya-gaya tersebut agar pesawat dapat terbang, diperlukan sebuah sayap. Kegunaan sayap pada pesawat terbang, diantaranya adalah untuk menghasilkan daya angkat secara optimal. Gaya angkat ini akan terjadi dalam arah tegak lurus terhadap bidang sayap atau permukaan sayap. Gaya angkat yang terjadi akan bertugas untuk mengangkat seluruh berat total dan pesawat terbang termasuk muatan yang berada di badañ atau diluar sayapnya. Dalam arah sejajar bidang sayap nantinya juga akan terjadi gaya tahan atau Drag. Gaya tahan ini terjadi karana adanya 44

2 gesekan ataupun karena tahanan aerodinamis yang terjadi akibat gaya angkat. Pada umumnya gaya angkat pada sayap akan lebih besar 10 kali dan gaya tahan, Dalam hal ini diambil 1 satu perkataan efisiensi gaya angkat yang dibandingkan dengan gaya tahan yang bersifat menghambat. Gaya angkat diperlukan untuk mengangkat keseluruhan berat pesawat. Ada komponen lain yang disebut sebagai Wing Rib. Wing Rib ini biasanya dipotong membentuk suatu penampang airfoil yang streamline. Tujuan wing rib adalah untuk membentuk penampang dan sayap sehingga aerodinamis. Untuk membuat sayap pesawat berfungsi secara efisien maka permukaan luarnya harus bersifat streamline dan aerodinamis. Pada dasarnya pesawat terbang mempunyai 3 sumbu pergerakan (x/y/z axis) yaitu: a. Roll, pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal depan belakang yang mengakibatkan pesawat berguling kiri kanan (badan pesawat diam, sayap kiri kanan yang turun naik). b. Yaw, pergerakan pesawat terhadap sumbu vertikal yang menyebabkan hidung pesawat berubah arah kiri kanan (pesawat akan berbelok kiri kanan). c. Pitch, pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal yang tegak lurus terhadap sumbu roll yang menyebabkan hidung pesawat akan turun atau naik. Pergerakan pitch ini dikarenakan adanya sayap horisontal bagian ekor / horizontal tail yang menyebabkan hidung pesawat akan turun atau naik. Salah satu jenis airfoil yang banyak digunakan dan dianjurkan pada sayap horisontal bagian ekor aeromodelling tipe glidder adalah Eppler 168. Alasannya karena permukaan sayap horisontal bagian ekor memberikan daya angkat yang baik, naik atau turun, dan daya hambat yang rendah dan secara aerodinamika lebih bagus daripada jenis lembaran balsa datar. Meskipun demikian penulis menemukan tidak banyak naskah ilmiah yang mengkaji analisa tegangan pada airfoil Eppler 168 akibat laju aliran udara dengan memvariasikan kecepatan aliran freestream dan sudut serang dibuat konstan. 1.2 Perumusan Masalah Permasalahan dalam penelitian ini adalah untuk melihat bagaimana karakteristik tegangan yang terjadi pada sayap horisontal bagian ekor pesawat glider akibat laju aliran udara dengan variasi kecepatan aliran freestream dan sudut serang dibuat konstan. Variasi laju aliran udaranya antara 50 km/jam sampai 70 km/jam dengan interval 5 km/jam dan sudut serang sebesar 5 0. Alasan menggunakan variasi kecepatan dan sudut serang tersebut karena nilai tersebut hampir mendekati nilai sebenarnya saat keadaan terbang dari aeromodelling yang diteliti ini. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan umum : Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis tegangan pada airfoil Eppler 168 yang biasa digunakan pada sayap horisontal bagian ekor pesawat terbang model tipe glider akibat laju aliran udara. Tujuan khusus : Untuk mengetahui tekanan ( P ) yang terjadi di sekitar sayap horisontal bagian ekor Untuk mengetahui tegangan yang terjadi akibat laju aliran udara di sayap horisontal bagian ekor dengan melakukan simulasi menggunakan CFD. Untuk mengetahui nilai tegangan maksimum dari tiap tiap kecepatan akibat laju aliran fluida di sayap horisontal bagian ekor dari percobaan simulasi menggunakan CFD 1.4 Batasan Masalah Agar masalah yang diteliti tidak menyimpang dari pembahasa utama, maka permasalahan hanya dibatasi pada: 1. Penelitian hanya difokuskan pada sayap horisontal bagian ekor aeromodelling tipe glider 2. Penelitian difokuskan tentang analisis tegangan akibat laju aliran udara 46

3 3. Jenis airfoil yang digunakan adalah Eppler Variasi laju aliran udara dibatasi pada kecepatan 50 km/jam sampai 70 km/jam dengan interval 5 km/jam dan sudut serang Fluktuasi udara diabaikan 6. Analisis dilakukan dengan bantuan software berbasis Computional Fluid Dinamic (CFD) yaitu Solidwork. 2. TINJAUAN PUSTAKA Pergerakan Aeomodelling di Udara mempunyai 3 sumbu pergerakan (x/y/z axis) yg disebut : Roll, Yaw, Pitch : a. Roll, pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal depan belakang yang mengakibatkan pesawat berguling kiri kanan (badan pesawat diam, sayap kiri kanan yg turun naik). b. Yaw, pergerakan pesawat terhadap sumbu vertikal yg menyebabkan hidung pesawat berubah arah kiri kanan (pesawat akan berbelok kiri kanan). c. Pitch, pergerakan pesawat terhadap sumbu horisontal yg tegak lurus terhadap sumbu roll yg menyebabkan hidung pesawat akan turun atau naik. Gambar 2.2 Konvensional Tail b. T-Tail Ekor sayap dipasang di atas kemudi putar (rudder), keuntungannya bahwa fluida yang melewati sayap utama tidak terlalu mempengaruhi sayap ekor. Gambar 2.3 T- Tail c. Mid- Tail Kombinasi antara konventional tail dan T-Tail. Model ini dapat memperoleh keuntungan dari model T-Tail, Gambar 2.4 Mid Tail Gambar 2.1 Arah pergerakan pesawat Ada beberapa jenis model tail (ekor) pesawat yang dapat kita jumpai pada model glider, diantaranya adalah : a. Konvensional tail Pada jenis ini ekor sayap terpasang pada bodi / fuselage. Konvenisional tail ini terletak sejajar dengan posisi sayap utama sehingga aliran fluida yang melewati sayap utama akan mempengaruhi sayap ekor. d. V- Tail Stabilizer pesawat dibentuk seperti huruf "V", dan tidak ada rudder. Untuk pengendaliannya diperlukan radio dengan kemampuan mixing channel Gambar 2.5 V- Tail Tegangan Sebuah bahan yang menerima beban eksternal akan memberi reaksi yang berupa gaya dalam, yang besarnya sama tapi 47

4 arahnya berlawanan. Besarnya gaya persatuan luas pada bahan tersebut disebut sebagai tegangan. Gaya aksial adalah gaya yang menyebabkan suatu material memanjang/memendek dengan arah aksial atau biasa disebut dengan gaya normal. Dimana A adalah luas penampang yang menahan P. Intensitas gaya yang terbagi pada luasan seluas A disebut tegangan dengan simbol σ (baca: sigma). Maka dapat ditentukan persamaan dari σ = P = gaya (N) A = luas permukaan (m2) σ = tegangan (N/m2) Tegangan normal merupakan tegangan pada bidang yang tegak lurus dengan arah gaya. σ = P/A bukan tegangan di suatu titik pada penampang A, tetapi tegangan rata-rata semua titik pada penampang A. Pada umumnya tegangan di suatu titik tidak sama dengan tegangan rata-rata. Tetapi dalam prakteknya, tegangan ini dianggap seragam, kecuali pada titik beban, atau adanya konsentrasi tegangan. 3. METODE PENELITIAN Metode yang dipakai dalam penelitian ini adalah metode analisis simulasi. 3.1 Studi Kasus Identifikasi Masalah Pergerakan pitch dikarenakan adanya sayap horisontal bagian ekor / horizontal tail. Salah satu jenis airfoil yang banyak digunakan pada sayap horisontal bagian ekor aeromodelling tipe glidder adalah Eppler 168. Alasannya karena permukaan sayap horisontal bagian ekor memberikan daya angkat yang baik, naik atau turun, dan daya hambat yang rendah dan secara aerodinamika lebih bagus daripada jenis lembaran balsa datar. Meskipun demikian penulis menemukan tidak banyak naskah ilmiah yang mengkaji analisa tegangan pada airfoil Eppler 168. Hal ini yang mendasari penulis ingin menganalisis karakteristik tegangan airfoil Eppler 168 akibat laju aliran udara dengan memvariasikan kecepatan aliran freestream dan sudut serang dibuat konstan dengan melakukan simulasi menggunakan CFD Variabel Penelitian Ditentukan dua buah variable penelitian, yakni variable terikat dan variable bebas Variabel Terikat Untuk menyederhanakan permasalahan dalam analisis ini, maka dalam penelitian ini ditetapkan variable terikat yakni: 1. Material penyusun sayap (airfoil) serta dimensi dan geometrinya 2. Properties dari udara 3. Sudut serang (angle of attack) Variabel Bebas Variable bebas pada penelitian ini dibatasi pada penentuan kecepatan aliran freestream Spesifikasi Data Penelitian ini membutuhkan spesifikasi data yang kemudian akan diinput kedalam analisa simulasi. Berikut ini adalah data dari airfoil Eppler 168 yang digunakan sebagai objek penelitian : Gambar 2.1 Penampang Airfoil Eppler Spesifikasi Fluida Spesifikasi fluida, dalam hal ini udara kota Medan karena aktivitas penerbangan pesawat glider ini dilakukan pada siang hari dan di wilayah udara kota Medan, juga sangat diperlukan untuk 48

5 analisis simulasi dalam penelitian ini, berikut ini adalah properties dari udara : NO Tabel 2.1 Spesifikasi Fluida Spesifikasi Fluida 1 Jenis Fluida Udara atmosfer 2 Temperatur Fluida K atau 30.8 C 3 Tekanan Fluida 101,3 kpa 4 Densitas kg/m 5 Viskositas 16,06 x 10 m s Sumber. Badan Pusat Statistik Sumut. R. Byron Bird, Transport Phenomena Ketinggian kota Medan berkisar antara 2.5 mdpl 37.5 mdpl (sumber: id.wikipedia.org/wiki/kota_medan) maka penulis mengambil ketinggian rata-ratanya sebesar 20 mdpl. Pada saat penerbangan aeromodelling ini, ketinggian pesawat berkisar antara 30 m sampai 50 meter secara vertikal. 3.2 Urutan Proses Analisis Untuk melakukan analisis simulasi pada airfoil ini, maka dibuat urutan proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik Pengumpulan Data Awal Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data tentang informasi yang berkaitan dengan airfoil Eppler 168 serta spesifikasi data yang dibutuhkan untuk dilakukan penelitian Studi Literatur Penelitian ini harus berlandaskan pada azas azas teoritis yang diakui di dalam dunia keteknikan secara ilmiah sehingga dapat dijadikan rujukan penyelesaian penelitian ini. Studi literatur ini dilakukan dengan cara memperolehnya dari buku buku referensi, jurnal jurnal ilmiah, kumpulan symposium, diskusi personal, atau bahkan lewat media internet. Landasan teoritis ini menyangkut masalah dasar dasar mekanika fluida, dasar-dasar aerodinamika penerbangan, dasar-dasar mekanika kekuatan bahan khususnya terhadap pembahasan yang berkaitan dengan tegangan pada sayap horisontal bagian ekor dan airfoil Komputasi Data Data data yang dibutuhkan selam proses pengerjaan di input kedalam proses komputasi data meliputi pemodelan bentuk geometri, pembentukan sudut serang, kemudian melakukan simulasi pertama menggunakan cosmoflow dengan memvariasikan variable bebas yang ada untuk mendapatkan nilai tekanan yang terjadi dan kecepatan di sekitar sayap horisontal bagian ekor, lalu dilakukan simulasi kedua dengan meng-input nilai gaya pada sumbu x yang diperoleh pada simulasi pertama ke dalam cosmowork untuk mengetahui tegangan yang terjadi di sayap horisontal bagian ekor akibat laju aliran udara Pembahasan Hasil Komputasi Data Pada tahapan ini akan dilakukan pembahasan terhadap masing masing hasil simulasi dengan berbagai input variabel bebasnya untuk kemudian dibandingkan hasilnya sehingga didapat nilai tegangan terkecil di sekitar sayap horisontal bagian ekor yang terjadi pada kecepatan aliran tertentu Penarikan Kesimpulan Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya, dengan demikian diharapkan tidak terjadi penyimpangan dari tujuan penelitian. 3.3 Diagram Alir Penelitian Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 berikut. 49

6 simulasi yang terjadi akibat laju aliran udara di permukaan sayap horisontal bagian ekor airfoil Eppler 168 tersebut. 4.1 Hasil Simulasi Kecepatan Pesawat 50 km/jam Kontur Tekanan dan Pressure Surface Gambar 4.1 Kontur tekanan dengan kecepatan pesawat 50 km/jam 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pelaksanaan penelitian ini melalui metode simulasi dengan menggunakan software Solidwork dimana membutuhkan spsifikasi komputer minimum dengan prosesor Core 2 duo dan RAM 4Gb. Hasil kegiatan penelitian yang telah dikerjakan yang didahului dengan simulasi airfoil untuk untuk menentukan nilai dari parameter tekanan di perrmukaan airfoil Eppler 168, lalu kemudian nilai yang didapatkan di-input ke dalam simulasi kedua untuk mendapatkan nilai tegangan yang terjadi di airfoil. Dengan memasukkan 5 buah variabel bebas yang merupakan fluida bergerak dengan aproximasi paramater fluida bergerak sama dengan gerak benda dalam hal ini kecepatan pesawat, dengan nilai variasi kecepatan pesawat antara 50 km/jam (13,88 m/s) sampai 70 km/jam (19,44 m/s) dan sudut serang sebesar 5 0. Hasil dari simulasi dalam penelitian ini berupa kontur tekanan yang mengalir di permukaan airfoil. Dan juga hasil dari Gambar 4.2 Kontur pressure surface dengan kecepatan pesawat 50 km/jam Kecepatan Pesawat 55 km/jam Kontur Tekanan dan Pressure Surface 50

7 Gambar 4.3 Kontur tekanan dengan kecepatan pesawat 55 km/jam Gambar 4.6 Kontur pressure surface dengan kecepatan pesawat 60 km/jam Kecepatan Pesawat 65 km/jam Kontur Tekanan dan Pressure Surface Gambar 4.4 Kontur pressure surface dengan kecepatan pesawat 55 km/jam Kecepatan Pesawat 60 km/jam Kontur Tekanan dan Pressure Surface Gambar 4.7 Kontur tekanan dengan kecepatan pesawat 65 km/jam Gambar 4.5 Kontur tekanan dengan kecepatan pesawat 60 km/jam Gambar 4.8 Kontur pressure surface dengan kecepatan pesawat 65 km/jam Kecepatan Pesawat 70 km/jam Kontur Tekanan dan Pressure Surface 51

8 4.2 Tegangan Yang Terjadi Pada Airfoil Gambar 4.9 Kontur tekanan dengan kecepatan pesawat 70 km/jam Gambar 4.10 Kontur pressure surface dengan kecepatan pesawat 70 km/jam Dengan melihat hasil simulasi yang dilakukan dengan beberapa variasi kecepatan maka nilai tekanan maksimum dan minimum dari setiap laju aliran udara dapat dilihat pada tabel berikut. Berdasarkan data koordinat airfoil dari situs Aerospace Engineering pada bab III, titik trailing edge berada pada koordinat titik 1, surface paling tinggi pada koordinat titik sehingga maksimum thickness-nya sebesar , surface paling rendah pada koordinat titik sehingga minimum thickness-nya sebesar Airfoil yang disimulasikan mempunyai panjang trailing edge 10 cm, sehingga nilai maksimum thickness adalah cm dan minimum thickness adalah cm Permukaan area yang dikenai beban dihitung dari perkalian antara minimum thickness dengan panjang airfoil sebesar 45 cm sehingga luas permukaan yang dikenai beban searah sumbu x adalah cm 2 = m 2 Karena dalam penelitian ini adalah analisa tegangan akibat laju aliran udara, makan beban eksternal yang terjadi pada airfoil Eppler 168 ini adalah arah aliran udara sejajar sumbu x. Berikut adalah tabel nilai arah aliran udara yang sejajar sumbu x yang didapat dari percobaan simulasi pertama. Tabel 4.2 Nilai arah aliran udara hasil dari simulasi pertama Tabel 4.1 Hasil Simulasi Untuk Nilai Tekanan 4.3 Tabulasi Nilai Tegangan Berikut ini adalah tabulasi untuk nilai tegangan (σ) dengan variasi laju aliran udara 50 km/jam, 55 km/jam, 60 km/jam, 65 km/jam, dan 70 km/jam. 52

9 Tabel 4.3 Tabulasi Nilai Tegangan (σ) Kecepatan (km/jam) σ ( N/m 2 ) untuk kecepatan 70 km/jam adalah 338 Pa. 2. Dari hasil simulasi dan perhitungan, dapat dilihat bahwa tegangan yang timbul akibat laju aliran udara berbanding lurus dengan kecepatan. Semakin cepat laju pesawat, maka tegangan yang timbul juga semakin besar. dimana tegangan terendah/minimum berada pada kecepatan 50 km/jam dengan nilai tegangan sebesar N/m 2 dan tegangan tertinggi / maksimum berada pada kecepatan 70 km/jam dengan nilai tegangan sebesar N/m Nilai tegangan yang didapat bisa dibilang kecil karena pesawat tipe glider ini adalah jenis pesawat berkecepatan rendah sehingga pembebanan yang terjadi akibat laju aliran udara juga kecil. Pesawat tipe glider ini juga diperuntukkan untuk pemula sehingga tidak diperlukan suatu kecepatan pesawat yang tinggi. Gambar 3.11 Grafik Tegangan vs Kecepatan Dari grafik tegangan versus kecepatan di atas dapat dilihat bahwa tegangan yang timbul akibat laju aliran udara berbanding lurus dengan kecepatan. Artinya semakin cepat laju pesawat udara maka tegangan yang timbul juga semakin besar dimana tegangan terendah/minimum berada pada kecepatan 50 km/jam dengan nilai tegangan sebesar N/m 2 dan tegnagan tertinggi / maksimum berada pada kecepatan 70 km/jam dengan nilai tegangan sebesar N/m 2. 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Dari hasil simulasi dapat dilihat bahwa range tekanan akan semakin besar jika laju pesawat semakin cepat. Nilai range tekanan untuk kecepatan 50 km/jam adalah 173 Pa dan nilai range tekanan 4.2 Saran 1. Diharapkan penelitian selanjutnya dapat membuat parameter yang lebih bervariasi sehingga benar-benar bermanfaat bagi dunia aeromedlling itu sendiri 2. Software Solidwork dapat diperkenalkan lebih luas lagi di kalangan mahasiswa maupun dosen di Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin USU sebagai salah satu software yang telah memenuhi standar perusahaan-perusahaan besar dalam simulasi dimana software ini memberikan kemudahan dalam penggunaan untuk perhitungan tegangan dan lainnya. 3. Diharapkan diadakan pelatihan penggunaan software-software seperti ini dikalangan mahasiswa, dosen atau orang-orang yang berkecimpung di dunia teknik atau aeromodelling agar penelitian bisa berjalan dengan baik dan untuk kemajuan dunia perteknikkan dan aeromodelling itu sendiri. 53

10 Daftar Pustaka. [1] Anderson Jr, Jhon D. Fundamental of Aerodyamics. Mc.Graw-Hill. Book Company, Boston [2] Bird, R. Byron. Transport Phenomenoa. John Wiley & Sons. Inc., USA 2007 [3] Callister Jr, W.D. Material Science and Engineering: An Introduction. John Wiley & Sons, New York [4] Lennon, Andy. RC Model Aircraft Design. Air Age Media lnc, USA [5] M, Magono dan Endah W. Aerodinamika. Depdiknas, Jakarta [6] Munson, Bruce R. Mekanika Fluida, Edisi Keempat. Erlangga, Jakarta [7] Peube, J. L. Fundamentals of Fluid Mechanics and Transport Phenomena. British Library [8] R. C. Hibbeler. Engineering Mechanics: Statics SI Edition. Prentice Hall Inc [9] UIUC Airfoil Data Site : (diakses pada tanggal 16 Juni 2012) [10] (diakses pada tanggal 10 Maret 2012) [11] (diakses pada tanggal 14 Maret 2012) 54