ANALISIS TABUNG KOMPOSIT PADA KASUS PEMBEBANAN TEKANAN INTERNAL, GAYA AKSIAL, DAN TORSI DENGAN PENDEKATAN TEORITIK DAN METODE ELEMEN HINGGA

Transkripsi

1 ANALISIS TABUNG KOMPOSIT PADA KASUS PEMBEBANAN TEKANAN INTERNAL, GAYA AKSIAL, DAN TORSI DENGAN PENDEKATAN TEORITIK DAN METODE ELEMEN HINGGA TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat mencapai gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung Oleh : Ari Wibowo Pembimbing : Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 LEMBAR PENGESAHAN ANALISIS TABUNG KOMPOSIT PADA KASUS PEMBEBANAN TEKANAN INTERNAL, GAYA AKSIAL, DAN TORSI DENGAN PENDEKATAN TEORITIK DAN METODE ELEMEN HINGGA TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat mencapai gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung Oleh : Ari Wibowo Bandung, 6 Februari 2008 Mengetahui, Pembimbing, Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi

3 i ABSTRAK Pada perancangan suatu struktur mutlak diperlukan analisis kekuatan struktur tersebut untuk menjamin bahwa struktur tersebut dapat digunakan sesuai kebutuhan perancangan. Kekuatan struktur itu sendiri ditentukan oleh beberapa faktor, diantaranya properti material dan geometri struktur. Karakteristik struktur ringan dengan kekuatan tinggi sangat diperlukan untuk rancang bangun pesawat udara dan wahana terbang lainnya. Hal ini menjadi salah satu alasan dikembangkannya material komposit. Jenis komposit yang banyak dijumpai adalah sandwich dan komposit lamina. Salah satu geometri yang sering digunakan dalam suatu struktur adalah tabung, misalnya pada struktur roket, fuselage, maupun pipa. Pada struktur wahana terbang dengan geometri tabung dikembangkan tabung komposit atau sering disebut laminated tube. Tugas akhir ini bertujuan untuk menganalisis distribusi tegangan pada tabung komposit dengan perhitungan teoritik dan menggunakan metode elemen hingga. Dalam hal ini hanya dilakukan analisis statik dengan modus pembebanan tekanan internal, gaya aksial dan torsi.

4 ii KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah Swt karena berkat rahmatnya lah penulis bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung. Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, tapi setidaknya penulis berharap Tugas Akhir ini menjadi suatu pembelajaran yang bermanfaat khususnya bagi penulis sendiri dan umumnya bagi orang-orang yang membacanya. Penulis mengucapkan terima kasih kepada orang-orang ataupun pihak-pihak yang berperan hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini, diantaranya : 1. Ibu dan Bapak yang senantiasa mendoakan, menasihati, membimbing dan mendukung saya dalam setiap langkah untuk meraih cita-cita. 2. Rudi, Mbak Lilik dan Mas Nanang yang selalu memberikan semangat. 3. Dr. Bambang Kismono Hadi yang bersedia menjadi pembimbing Tugas Akhir ini dan memberikan ilmu serta wawasan tentang komposit. 4. Dr. Tatacipta Dirgantara dan ir. Rais Zain, M.Eng selaku dosen penguji yang memberikan banyak masukan. 5. Guru-guru saya dari TK, sampai SMU serta dosen-dosen saya dari TPB sampai tingkat 5 yang dengan sabar mengajar dan mendidik. Maafkan saya jika saya sering menyepelekan, kurang menghargai atau bahkan kurang ajar, khususnya Pak Nursanto guru les waktu SD. Akhirnya saya menyadari kemuliaan seorang guru. 6. Saudara dan sahabat-sahabat saya di kampung, cah Tumang. 7. Teman-teman sekolah, terutama sahabat-sahabat saya di gonryken (Taufan Gotho, Ridwan, Ony, Dedik Kenthing, dll), tempat berbagi dan belajar apa arti persahabatan. 8. Anak-anak PN 03, Coky ( Lo temen pertama gw di PN cok!!), Ali (salah satu temen deket jangan BATARA mulu li ), Adit ( Sorry dit kalo kita sempet perang dingin,haha.. ), Ale (temen deket sejak TPB), Ryan (temen serius oke, nyante pun oke), Puji (temen ngaji dan berbagi ilmu), Emon (temen maen kartu yang selalu

5 iii kalah klo maen seven skop, hehe..), Akiem (temen buat blajar voli, CFD, dan partner tugas CAD), Adhi (temen buat blajar mesin jet), Arzai (temen maen voli & billiard), Hadi (temen billiard & ajep2, hehe..), Septian (sang ketua angkatan), Sonny (temen kuliner dan nimbrung lab), Angga, SQIH (pokopokopok..pak!!), Tito, Widhi, Ahmed, Ami, Tia, Dian, Wenda, Novi, Harapan, Ikrar, Uda, Henles, Jhon, Yusman, Putra, Sam, Yusni, Apri, Yanuar, Fajar, Hen-gan, Vicky, Henry, dan Alm Dani ( Semoga tenang di alam sana ). 9. Senior dan Yunior di PN, PN 98, PN 99, PN 00, PN 01 (Handi, Michael, Ilham, Si O, Alief, dll), PN 02 (Reza, Reo, Jeki, Budi, Miladi, Mario, Hary, Akbar, dll), PN 04 (Agi, Feri, Pompi, Deden, Andi, Lutfi, dll), PN 05 (Alif, Adit, dll), PN KMPNP, rumah kedua di Bandung. 11. Lek Dedi, Bulek Marmi, Ipul, Candra, Ndis,dan Faisal. 12. Pak Munir, Bu Tri, Afid, Nisya, dan Hana. 13. Farhan, Evei, Arwan, bapak kos dan ibu kos serta anak-anak satu kosan. 14. PT. Dirgantara Indonesia, UAVIndo, Tim Roket ITB dan Tim WPG KMPN, tempat pembelajaran dan penerapan ilmu yang telah diperoleh. 15. Motor urang yang selalu setia dibawa kemana aja. 16. Djarum Super & Marlboro MIX, bubye!! 17. The Center, tempat belajar Bahasa Inggris Where English is More Than A Course 18. Teman-teman di luar terutama Moniq dan Atoen. 19. Teman-teman Siaware X, Siaware 12, dan Siawares, tempat sharing, belajar menggunakan hati, berbagi mimpi, dan pembelajaran tentang diri sendiri. 20. Jama ah kajian mingguan di Masjid LIPI, tempat pembelajaran Islam dan bekal menuju kehidupan yang akan datang. 21. Dan Anda yang bersedia meluangkan waktu untuk membaca tulisan ini atau sekedar baca thanks to nya saja. Wassalamu alaikum Wr. Wb Bandung, Februari 2008 Penulis

6 iv DAFTAR ISI ABSTRAKS... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI..... iv DAFTAR GAMBAR DAN TABEL... vi DAFTAR GRAFIK.... vii DAFTAR NOTASI.... i BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Pengerjaan Batasan Masalah Metode Pengerjaan... 2 BAB II KAJIAN PUSTAKA Material Orthotropik Material Anisotropik Lamination Theory Laminated Tube Theory Regangan pada Sistem Koordinat Silinder Persamaan Konstitutif Persamaan Kesetimbangan Persamaan Perpindahan Persamaan Regangan Persamaan Tegangan Persamaan Simultan BAB III PEMODELAN DENGAN MSC NASTRAN Geometri Material dan Properti Meshing Pembebanan dan Kondisi Batas Hasil Analisis Msc. NASTRAN... 18

7 v BAB IV PERBANDINGAN HASIL MSC NASTRAN DENGAN PERHITUNGANTEORITIK Material Carbon Epoy (T300/5208) Orthotropik Lamina dengan Orientasi Serat 0/ Lamina dengan Orientasi Serat 0/+-45/ Material Glass Epoy (S2) Orthotropik Lamina dengan Orientasi Serat 0/ Lamina dengan Orientasi Serat 0/+-45/ BAB V ANALISIS Distribusi Tegangan Analisis Regangan Analisis Ketebalan Tabung BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... 38

8 vi DAFTAR GAMBAR DAN TABEL Halaman Gambar 2.1 Material orthotropik... 3 Gambar 2.2 Material anisotropik... 5 Gambar 2.3 Komposit lamina... 6 Gambar 2.4 Tabung komposit... 8 Gambar 3.1 Model tabung Tabel 3.1 Properti Carbon Epoy dan Glass Epoy Gambar 3.2 Meshing Tabel 3.2 Tumpuan pada tiap pembebanan Gambar 3.3 Tegangan tangensial pembebanan tekanan internal (orthotropik) Gambar 3.4 Tegangan tangensial pembebanan tekanan internal (quasi-isotropik) Gambar 3.5 Tegangan aksial pembebanan gaya aksial (orthotropik) Gambar 3.6 Tegangan aksial pembebanan gaya aksial (quasi-isotropik) Gambar 3.7 Tegangan geser pembebanan torsi (orthotropik) Gambar 3.8 Tegangan geser pembebanan torsi (quasi-isotropik) Tabel 5.1 Regangan maksimum pada pembebanan tekanan internal Tabel 5.2 Regangan maksimum pada pembebanan gaya aksial Tabel 5.3 Regangan maksimum pada pembebanan torsi... 35

9 vii DAFTAR GRAFIK Halaman Grafik 4.1 Distribusi tegangan radial (T300 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.2 Distribusi tegangan tangensial (T300 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.3 Distribusi tegangan aksial (T300 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.4 Distribusi tegangan aksial (T300 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.5 Distribusi tegangan radial (T300 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.6 Distribusi tegangan tangensial (T300 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.7 Distribusi tegangan geser (T300 orthotropik, torsi) Grafik 4.8 Distribusi tegangan radial (T300 0/90, tekanan internal) Grafik 4.9 Distribusi tegangan tangensial (T300 0/90, tekanan internal) Grafik 4.10 Distribusi tegangan aksial (T300 0/90, gaya aksial) Grafik 4.11 Distribusi tegangan geser (T300 0/90, torsi) Grafik 4.12 Distribusi tegangan radial (T300 0/+-45//90, tekanan internal) Grafik 4.13 Distribusi tegangan tangensial (T300 0/+-45/90, tekanan internal) Grafik 4.14 Distribusi tegangan aksial (T300 0/+-45/90, tekanan internal) Grafik 4.15 Distribusi tegangan geser (T300 0/+-45/90, tekanan internal) Grafik 4.16 Distribusi tegangan radial (S2 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.17 Distribusi tegangan tangensial (S2 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.18 Distribusi tegangan aksial (S2 orthotropik, tekanan internal) Grafik 4.19 Distribusi tegangan radial (S2 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.20 Distribusi tegangan tangensial (S2 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.21 Distribusi tegangan aksial (S2 orthotropik, gaya aksial) Grafik 4.22 Distribusi tegangan geser (S2 orthotropik, torsi) Grafik 4.23 Distribusi tegangan radial (S2 0/90, gaya aksial) Grafik 4.24 Distribusi tegangan tangensial (S2 0/90, gaya aksial) Grafik 4.25 Distribusi tegangan aksial (S2 0/90, gaya aksial) Grafik 4.26 Distribusi tegangan geser (S2 0/90, torsi) Grafik 4.27 Distribusi tegangan radial (S2 0/+-45/90, gaya aksial) Grafik 4.28 Distribusi tegangan tangensial (S2 0/+-45/90, gaya aksial)... 30

10 viii Grafik 4.29 Distribusi tegangan aksial (S2 0/+-45/90, gaya aksial) Grafik 4.30 Distribusi tegangan geser (S2 0/+-45/90, gaya aksial) Grafik 5.1 Perbandingan tegangan radial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan tekanan internal Grafik 5.2 Perbandingan tegangan tangensial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan tekanan internal Grafik 5.3 Perbandingan tegangan aksial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan tekanan internal Grafik 5.4 Perbandingan tegangan aksial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan gaya aksial Grafik 5.5 Perbandingan tegangan radial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan gaya aksial Grafik 5.6 Perbandingan tegangan tangensial orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan gaya aksial Grafik 5.7 Perbandingan tegangan geser orthotropik & quasi-isotropik pada kasus pembebanan torsi Grafik 5.8 Pengaruh ketebalan terhadap tegangan radial pada kasus pembebanan tekanan internal Grafik 5.9 Pengaruh ketebalan terhadap tegangan tangensial pada kasus pembebanan tekanan internal Grafik 5.10 Pengaruh ketebalan terhadap tegangan aksial pada kasus pembebanan Gaya aksial Grafik 5.11 Pengaruh ketebalan terhadap tegangan geser pada kasus pembebanan torsi... 36

11 i DAFTAR NOTASI E 1, E 2, E 3 modulus elastisitas G 12, G 13, G 23 modulus geser σ 1, σ 2, τ 12 tegangan ε 1, ε 2, γ 12 regangan υ 12, υ 21 Poisson s ratio [ Q ] matriks kekakuan [ T 1 ], [ T 2 ] matriks transformasi θ orientasi serat [ Q ] matriks kekakuan pada koordinat,y {N} in-plane forces {M} momen {K} kelengkungan lamina E modulus aksial E modulus transvers y G y v y in-plane shear modulus in-plane Poisson s ratio RI, RO jari-jari dalam dan jari-jari luar tabung u, v, w displacement pada koordinat, θ, r, θ, r koordinat aial, tangensial, dan radial P, T gaya aksial dan torsi p 1, p 0 tekanan internal dan eksternal tabung C ij, S ij matriks kekakuan dan komplians pada koordinat, θ, r 0 ε regangan aksial uniform 0 γ sudut twist per unit panjang σ, σ θ, σ r, τ r, τ θr, τ θ tegangan pada koordinat, θ, r ε, ε θ, ε r regangan normal pada koordinat, θ, r γ r, γ θr, γ θ regangan geser pada koordinat, θ, r