KAJIAN PENGARUH ARAH SERAT KOMPOSIT PADA SAYAP HSFTB V2 BERDASARKAN GAYA AERODINAMIKA

Transkripsi

1 KAJIAN PENGARUH ARAH SERAT KOMPOSIT PADA SAYAP HSFTB V2 BERDASARKAN GAYA AERODINAMIKA Samsu Hidayat Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia samsuhiday@gmail.com Abstrak Pada suatu pesawat UAV yang bernama HSFTB V2 dirancang untuk melakukan kondisi terbang menjelajah dalam pencapaian trajektori yang sejauh mungkin dan mampu mendarat. Hal ini terkait dengan pengambilan data-data dari beberapa sensor yang terpasang pada pesawat, yang nantinya sebagai penunjang Roket Pengorbit Satelit (RPS). Pada kondisi terbang tersebut, seluruh bagian luarnya akan mengalami tekanan akibat beban aerodinamika udara bebas. Namun, gaya angkat pesawat bersifat dominan pada sayap pesawat karena desain sayap berfungsi menerima gaya angkat sehingga pesawat mampu diterbangkan. Gaya ini menghasilkan tegangan regangan struktur sayap serta tidak menutup kemungkinan terjadi deformasi bahkan kerusakan struktur. Oleh karena itu, untuk menghindari kerusakan struktur saat pesawat diterbangkan maka perlu dilakukan analisa struktur lebih lanjut. Kata kunci: HSFTB V2, Komposit, Ansys 1. Pendahuluan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) memiliki misi dalam memperkuat kemampuan penguasaan teknologi roket, satelit, dan penerbangan serta pemanfaatannya untuk menjadi mitra industri strategis penerbangan dan pembina nasional pengembangan roket dan satelit. Pusat Teknologi Wahana Dirgantara Lapan melakukan riset dan penelitian roket yang berpusat di Tarogong, Bogor. Selain itu, Lapan juga mengembangkan wahana pesawat UAV (Unmanned Aerial Vehicle) bernama HSFTB V2 yang mampu mengambil data-data yang dibutuhkan dalam mendukung peluncuran Roket Pengorbit Satelit (RPS). Wahana ini diluncurkan dari launcher dengan menggunakan roket booster. Pada saat motor roket burn out, dilakukan separasi untuk memisahkan HSFTB V2 dari boosternya, dan kemudian wahana ini akan terbang dengan menggunakan mesin turbojetnya sendiri. Gambar 1.1 Kondisi HSFTB V2 pada Uji Terbang [1] High Speed Flying Test Bed (HSFTB V2) ini dirancang sebagai wahana pembelajaran roket outo pilot yang dapat melalui uji terbang berkali-kali dan untuk mendapatkan trajektori yang sejauh mungkin dengan mengaplikasikan mesin turbojet. Pada saat pesawat beroperasi, struktur ini akan mengalami berbagai macam gaya yang terdistribusi pada sayap pesawat. Gaya-gaya ini menghasilkan tegangan regangan struktur serta tidak menutup kemungkinan terjadi deformasi bahkan kerusakan struktur. Oleh karena itu, untuk menghindari kerusakan struktur saat pesawat diterbangkan maka perlu dilakukan analisa struktur lebih lanjut. 2. Tinjauan Pustaka Pada bab ini akan membahas mengenai teori-teori yang mendukung pembuatan tugas akhir ini, yaitu mengenai: 2.1 Material Komposit Bahan komposit dikembangkan sebagai bahan alternatif untuk mendapatkan sifat yang lebih baik seperti high strength/modulus dan densitas rendah sesuai yang diterapkan dalam industri penerbangan, antariksa, dan otomotif. Pada industri-industri ini membutuhkan komponen yang ringan namun memiliki karakteristik yang handal. Sehingga penggunaan material komposit dibuat optimal di setiap struktur produk agar diperoleh pengurangan berat yang signifikan. Kelebihan lainnya dari komposit adalah mampu memberikan sifat anisotropik berdasarkan arah serat pada manufakturnya. Secara umum bahan komposit terdiri dari dua bagian utama, yaitu : matriks

2 yang mengisolasi fasa berupa serat dan penguat (reinforcement) atau fasa sebaran berupa resin. Gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit adalah matriks dan penguat. Bahan komposit yang digunakan pada HSFTB V2 adalah jenis epoxy yang umum digunakan pada pembuatan aircraft. Epoxy merupakan salah satu matriks yang termasuk dalam kategori thermoset (jika dipanaskan akan mengeras). Matriks ini cukup banyak digunakan pada bidang airplane, karena sifatnya yang tahan terhadap kelembaban, penyusutan rendah saat curing sehingga tidak dapat diubah atau dibentuk kembali, tahan temperatur tinggi, dan mudah dalam proses fabrikasi. Epoxy merupakan resin yang memiliki sifat adhesif. Fungsinya adalah menyatukan serat pada laminat dan antar laminat. Sehingga diharapkan beban yang bekerja pada struktur tidak ditahan resin yang tidak berfungsi menahann beban melainkan serat. Dari kedua komponen tersebut maka terbentuk laminat (satu ataupun beberapa lapisan komposit) Pelat berlapis (laminate) merupakan pelat yang terdiri dari dua lapisan atau lebih yang digabung bersama membentuk struktur yang integral. Pelat berlapis dibuat agar elemen struktur tersebut mampu menahan beban multiaksial, sesuatu yang tidak dapat dicapai dengan lapisan tunggal. Lapisan tunggal hanya mampu pada arah seratnya saja, tetapi lemah dalam arah tegak lurus serat. Oleh karena itu, lapisan yang digunakan untuk menahan beban multiaksial adalah lapisan laminate yang merupakan gabungan lapisan komposit yang memiliki arah serat yang berbeda pada setiap lapisan. [2] 2.2 Gaya Aerodinamikaa Sayap pesawat berfungsi sebagai penjaga stabilitas terbang, sehingga tidak terjadi gerakan rolling. Gerakan rolling pada pesawat dapat menggagalkan misi terbang. Hal ini salah satunya dapat disebabkan oleh pembuatan struktur sayap yang tidak tepat, sehingga dalam operasionalnya sayap tidak mampu menerima beban peluncuran pesawat. Dalam kondisi terbang struktur sayap pesawat mengalami gaya aerodinamika, baik berupa gaya hambat maupun gaya angkat. Gaya aerodinamika dan momen pada airfoil terdiri dari dua, yaitu: - Distribusi tekanan pada permukaan airfoil - Distribusi tegangan regangan pada permukaan airfoil Mekanisme alami memiliki hubungan terhadap gaya pada airfoil yang bergerak melalui fluida adalah distribusi tekanan dan tegangan regangan pada permukaan. Akibat dari tekanan dan tegangan regangan secara umum pada permukaan airfoil adalah resultan gaya aerodinamika (R) dan momen pada airfoil. Kecepatan udara bebas dapat diartikan sebagai kecepatan aliran yang jauh dari permukaan body atau biasa disebut kecepatan free stream. Umumnya, R merupakan penjumlahan vektor dari gaya yang bekerja sejajar dan tegak lurus terhadap chord. Sudut yang dibentuk antara sumbu arah kecepatan udara bebas dan chord adalah sudut serang (α). Selain itu, angle of attack juga dibentuk antara gaya angkat (L) dan gaya normal (N) atau gaya hambat (D) dan gaya aksial (A). Berdasarkan geometri pada gambar di bawah ini dapat dituliskan rumus sebagai berikut: L = Ncosα - Asinα (2.1) D = Nsinα + Acosαα (2.2) Gambar 2.1 Gaya Aerodinamika pada Airfoil [3] Tekanan dinamik pada airfoil bekerja padaa luasan area penampang dapat dirumuskan: q = ½ ρ v 2 (N/m 2 ) (2.3) Berikut merupakan koefisien gaya dan koefisien momen yang diterima airfoil. Cl = L / (q S) (lift coefficient) (2.4) Dimana : L = gaya angkat (N) S = surface area (m 2 ) v = kecepatan obyek ( m /s) Pada HSFTB V2, kondisi terbang take off dan climb digunakann engine bracket booster dan motor roket hingga mencapai cruise. Selain itu, kondisi take off pada HSFTB V2 dipersingkat tanpa adanya landasan terbang (bantuann peluncur). Kondisi terbang cruise menyatakan bahwa terjadi kesetimbangan gaya aerodinamika yang bekerja pada pesawat. Berdasarkan hukum newtonn yang pertama tentang gerak, menyatakan bahwa sebuah benda akan tetap diam saat istirahat, dan sebuah obyek yang bergerak (kecepatan konstan) akan terus bergerak kecuali terdapat gaya eksternal. Apabila tidak ada gaya eksternal maka obyek akan mempertahankan kecepatan konstan. Sehingga pada kondisi terbang cruise menyatakan bahwa terjadi kesetimbangan gaya aerodinamika yang bekerja pada pesawat. Desain aircraft umumnya juga bertujuan dalam efisiensi saat cruise, dengan estimasi bahwa T/W akan didapatkan thrust matching. Hal ini berkaitan dengan pemilihan thrust engine yang digunakan dalam mengatasi drag force yang timbul. Ketika pesawat terbang dengann kecepatan konstan, thrust senilai dengan drag. Seperti halnya nilai berat pesawat yang sama dengan lift dan dapat dirumuskan sebagai berikut: [2]

3 T W cruise = ( 1 L D D) cruise (2.5) Gambar 2.2 Gayaa yang Bekerja Saat Cruise Pada pesawat yang memiliki bentuk penampang horizontal berupa rectangular chord, gaya lift yang terjadi di center of grafity dapat didistribusikan dalam bentuk elliptical distribution lift sepanjang jarak per span sayap dari fuselage. Besarnya gaya lift per span sayap dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut: [4] 4L y L ( y ) = 1 (2.6) πb b Dimana : L( (y) = Distribusi gaya lift per span (N/m) L = Gaya lift pada CG (N) y = jarak per span sayap dari fuselage (m) b = panjang sayap (m) Pada persamaan tersebut diambil jarak per span dengan interval sebesar 15,7 cm. Gambar 2.3 Distribusi Gaya Angkat Secara struktural, beban yang mengakibatkan deformasi pada suatuu struktur dinamakan gaya eksternal. Sedangkan gaya internal merupakan suatu respon dari gaya eksternal yang diterima (stress) dan deformasi dari struktur (strain). Pada gambar di bawah ini menunjukkan struktur yang mengalami tension, compression, dan shear. 2 Gambar 2.4 Pembebanan Arah Normal dan Radial pada Silinder Karena material komposit yang dianalisa secara makromekanik, maka perhitungan kekuatan tarik hanya berdasarkan perbandingan beban yang diterima dengan luas penampang, sehingga persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut: σ = F / A ε = Δl / l Dimana : σ = tegangan (N/m 2 ) F = gaya (N) A = luas penampang (m 2 ) ε = regangan Δl = perubahan panjang (m) l = panjang awal (m) (2.7) (2.8) Suatu struktur komposit dikatakan gagal apabila struktur tersebut telah mengalami kerusakan total ketika mendapat suatu beban tertentu. Hal ini berlaku baik bagi komposit dengan satu layer maupun multilayer. Berdasarkan batasan yang telah dijelaskan sebelumnya yaitu berdasarkan sifat makroskopik, maka kekuatan material komposit dilihat sebagai suatu material utuh sehingga analisaa kekuatannya didasarkan pada kekuatan lapisannya. Terdapat tiga kemungkinan modus kegagalan pada komposit yang menerima beban tarik longitudinal, yaitu : a. Brittle failure : matriks mampu menahann beban geser dan meneruskan beban tersebut kepada serat di sekitarnya. Sehingga serat yang patah semakin banyak sampai timbul retakan b. Debonding : matriks tidak mampu menahan beban geser sehingga serat terlepas dari matriks. Bahan komposit akan rusak searah serat c. Brush-type : Serat patah di sembarang tempat bersamaan dengan rusaknya matriks. [5] Kriteria kegagalan pada material anisotropis telah dikembangkan oleh Tsai-Hill untuk material komposit. Teori tersebut merupakan kriteria kegagalan lamina orthotropis yang mengalami kegagalan akibat pembebanan multiaksial (multiaxial stress). Dalam kriteria ini kegagalan akan terjadi apabilaa memenuhi kondisi di bawah ini:

4 1 (2.9) Nilai-nilai tegangan pada persamaan di atas harus sesuai dengan karakteristik σ 11 dan σ 22. Jika σ 11 bersifat tegangan tarik maka nilai digunakan S Lt yang juga bersifat tarik, sedangkan apabila σ 22 merupakan tegangan tekan maka yang digunakan adalah nilai S Tc. Hal ini berlaku pula untuk komponen-komponen lain. [6] 3. Metodologi Penelitian Metodologi dalam proyek tugas akhir diperlukan sebagai panduan dalam proses pengerjaan proyek tugas akhir agar tahapan dalam pengerjaan tugas akhir dapat berjalan secara terarah dan sistematis. Berikut ini merupakan alur metodologi pengerjaan tugas akhir yang dilakukan oleh penulis : angle ply < 90 o A PEMBUATAN MODEL SAYAP NACA 0009 (PROGRAM ANSYS) PERHITUNGAN SIFAT MEKANIK LAMINAT GABUNGAN DENGAN VARIASI ARAH SERAT 0 o, 45 o & 90 o ARAH SERAT = 90 o? angle ply = 90 o SIMULASI PEMBEBANAN PADA SAYAP HSFTB V2 START ANALISA TEGANGAN PENGAMBILAN DATA & STUDI LITERATUR ARAH SERAT YANG PALING INPUT GEOMETRI HSFTB V2 (PROGRAM MISDAT) Gambar 3.1 FINISH Diagram Alir Tugas Akhir ANALISA KOEFISIEN GAYA AERODINAMIKA PADA HSFTB V2 MENGHITUNG DISTRIBUSI GAYA ANGKAT PADA SAYAP MACH NUMBER = 0,75? M < 0,75 Model yang digunakan untuk analisa struktur HSFTB V2 dibuat berdasarkan dimensi NACA 0009 dengan ketebalan 3mm. Karena sayap pesawat bersifat simetri, maka hanya diperlukan setengah sayap saja untuk menyelesaikan permasalahan ini. Model tersebut dilakukan pada Ansys Workbench guna mempermudah dalam penentuan koordinat geometri. Berikut ini merupakan design modeler geometry sayap NACA 0009: A M = 0,75 Gambar 3.1 Geometry Sayap HSFTB V2 Desain sayap HSFTB V2 memiliki kekuatan struktur yang berbeda dengan sayap pesawat pada umumnya. Gambar di atas pada bagian dalam airfoil tidak terdapat rangka/truss sebagai penunjang bentuk airfoil.

5 4.1 Analisa Hasil Analisa struktur sayap HSFTB V2 dilakukan dengan cara mensimulasikan secara numerik sehingga didapatkan besar tegangan maksimum pada bidang laminat. Selanjutnya dilakukan perhitungan kegagalan struktur sayap menggunakan teori kegagalan Tsai-Hill. Tsai-Hill work theory memperhitungkan kegagalan dari suatu lapisan komposit berdasarkan tegangan yang terjadi dengan arah longitudinal dan transversal. Kemudian dilakukan perhitungan teori kegagalan Tsai- Hill dengan tensile ultimate strength, compressive ultimate strength, dan ultimate shear strength sebagai berikut: Angle Ply 0 o Compression :S Lc =425MPa;S Tc =70MPa;S S =3836,41MPa Tension : S Lt =440MPa ; S Tt =70MPa ; S S =3836,41MPa Tabel 4.1 Analisa Kegagalan Angle Ply 0 o Angle Ply 45 o Compression:S Lc =240MPa;S Tc =240MPa;S S = MPa Tension : S Lt =240MPa ; S Tt =240MPa ; S S = MPa Tabel 4.2 Analisa Kegagalan Angle Ply 45 o Tabel4.3 Analisa Kegagalan Angle Ply 90 o Kesimpulan Setelah melakukan beberapa simulasi dan analisa berdasarkan kegagalan material komposit maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Kekuatan laminat angle ply 0 o dalam menahan beban yang terjadi pada sayap memiliki perbedaan nilai Tsai-Hill 51,6% terhadap angle ply 45 o. Sedangkan antara arah serat 0 o dan 90 o terdapat perbedaan nilai Tsai-Hill work theory sebesar 87,9% 2. Dari perbandingan di atas, arah serat yang paling optimal dalam menerima beban gaya lift saat cruise adalah laminat komposit epoxy dengan arah serat 0 o. 6. Daftar Pustaka [1] Sudiana, Oka. Laporan Uji Terbang HSFTB V2. Laporan. Bidang Kendali Teknologi Dirgantara Lapan, [2] Subianto, Nicki. Analisis Kekuatan Tarik Komposit Serat Bambu Yang Dibuat dengan Metode Manufaktur Hand Lay Up. Tesis. Program Studi Aeronotika Astronotika Institut Teknologi Bandung, [3] Anderson, John D. Fundamental of Aerodynamics. McGraw-Hill, Inc., [4] eng.usm.my/rcp/index. php/ analysis/finite-element-analysis-fea [5] Raymer, Daniel P. Aircraft Design A Conceptual Approach 2 nd Edition. California AIAA Education Series, [6] Yuwono, Akhmad H. Analisis Mekanik Komposit Laminat. Departemen Metalurgi dan Material Universitas Indonesia, Angle Ply 90 o Compression:S Lc =70MPa;S Tc =425MPa;S S = MPa Tension : S Lt =70MPa ; S Tt =440MPa ; S S = Mpa