kajian pengaruh arah serat komposit pada sayap hsftb

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
E-mail : [email protected]
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
yang menggisolasi fasa berupa serrat dan pennguat
(reinforcement) atau fasa
f
sebarann berupa reesin.
m
fasa-fasa pem
mbentuk kompposit
Gabungan makroskopis
adalah matriks dan penguuat.
k
yangg digunakan pada HSFTB
B V2
Bahan komposit
adalah jenis epoxy yaang umum digunakan pada
p
pembuatan aircraft. Eppoxy merupaakan salah satu
d
kategorri thermoset (jika
(
matriks yanng termasuk dalam
dipanaskan akan mengerras). Matriks ini cukup bannyak
p
bidang airplane,
a
kareena sifatnya yang
y
digunakan pada
tahan terhaadap kelembaaban, penyusuutan rendah saat
curing sehingga tidak dapat diubaah atau dibenntuk
kembali, taahan temperattur tinggi, daan mudah daalam
proses fabriikasi. Epoxy merupakan
m
ressin yang mem
miliki
sifat adhesiff. Fungsinya adalah menyaatukan serat pada
p
laminat dann antar laminaat. Sehingga diharapkan
d
beeban
yang bekerj
rja pada strukktur tidak dittahan resin yang
y
tidak berfunngsi menahann beban melaainkan serat. Dari
D
kedua kompponen tersebuut maka terbenntuk laminat (satu
(
ataupun bebberapa lapisann komposit)
Pelat beerlapis (laminnate) merupaakan pelat yang
y
terdiri dari dua lapisann atau lebihh yang digabbung
bersama membentuk
m
s
struktur
yangg integral. Pelat
P
berlapis dibbuat agar elemen struktur tersebut mam
mpu
menahan beeban multiakssial, sesuatu yang tidak dapat
d
dicapai dengan lapisan tuunggal. Lapissan tunggal haanya
mampu padda arah serattnya saja, tetaapi lemah daalam
arah tegak lurus serat. Oleh
O
karena itu, lapisan yang
y
m
addalah
digunakan untuk menahhan beban multiaksial
minate yang merupakan gabungan
g
lappisan
lapisan lam
komposit yaang memiliki arah serat yaang berbeda pada
p
setiap lapisaan. [2]
cho
ord adalah suudut serang ((α). Selain ittu, angle of
atta
ack juga dibentuk antara ggaya angkat (L)
( dan gaya
norrmal (N) atau gaya hambatt (D) dan gay
ya aksial (A).
Berrdasarkan geoometri pada gaambar di baw
wah ini dapat
ditu
uliskan rumus sebagai berikkut:
(2.1)
Nc
- Asinα
L = Ncosα
(2.2)
D = Nsinα
N
+ Acosα
α
A
a
2.2 Gaya Aerodinamika
Pada HSSFTB V2, konndisi terbang take off dan
clim
mb digunakann engine braacket boosterr dan motor
rok
ket hingga meencapai cruisee. Selain itu, kondisi take
off pada HSFTB V2 dipersingkkat tanpa adan
nya landasan
bang (bantuann peluncur). Kondisi terrbang cruise
terb
men
nyatakan baahwa terjadi kesetimbaangan gaya
aero
odinamika yaang bekerja paada pesawat. Berdasarkan
huk
kum newtonn yang peertama tentaang gerak,
men
nyatakan bahw
wa sebuah beenda akan tetaap diam saat
istirrahat, dan sebbuah obyek yyang bergerak
k (kecepatan
kon
nstan) akan terus
t
bergeraak kecuali teerdapat gaya
eksternal. Apabilla tidak ada gaya eksternal maka obyek
n. Sehingga
akaan mempertahhankan keceppatan konstan
pad
da kondisi terbbang cruise m
menyatakan bahwa
b
terjadi
kesetimbangan gaya
g
aerodinaamika yang bekerja
b
pada
pesawat.
a
umum
mnya juga berttujuan dalam
Desain aircraft
efissiensi saat cruuise, dengan eestimasi bahw
wa T/W akan
didaapatkan thrusst matching. Hal ini berkaaitan dengan
pem
milihan thrusst engine yyang digunaakan dalam
men
ngatasi drag force yang timbul. Kettika pesawat
terb
bang dengann kecepatan konstan, th
hrust senilai
den
ngan drag. Seeperti halnya nilai berat pesawat yang
sam
ma dengan lift dan dapat dirrumuskan seb
bagai berikut:
[2]
Sayyap pesawatt berfungsi sebagai pennjaga
stabilitas terrbang, sehinggga tidak terjaddi gerakan rollling.
Gerakan rollling pada pessawat dapat menggagalkan
m
misi
terbang. Haal ini salah satunya dapat disebabkan oleh
pembuatan struktur sayaap yang tidakk tepat, sehinngga
m
menerrima
dalam operrasionalnya saayap tidak mampu
beban peluuncuran pesawat. Dalam kondisi terbbang
struktur sayyap pesawat mengalami
m
gaaya aerodinam
mika,
baik berupaa gaya hambaat maupun gaaya angkat. Gaya
G
aerodinamikka dan momeen pada airfoiil terdiri dari dua,
yaitu:
- Distribusi tekanan pada permukaan airfoil
- Distribusi tegangan regaangan pada peermukaan airffoil
g
Mekanisme alami memiiliki hubungaan terhadap gaya
pada airfoiil yang berggerak melaluui fluida addalah
distribusi tekanan dann tegangan regangan pada
p
permukaan. Akibat dari tekanan
t
dan teegangan reganngan
mukaan airfoiil adalah resuultan
secara umuum pada perm
gaya aeroddinamika (R)) dan momeen pada airf
rfoil.
Kecepatan udara bebaas dapat diartikan
d
sebbagai
a
yang jaauh dari perm
mukaan body atau
kecepatan aliran
biasa disebbut kecepatann free stream
m. Umumnyaa, R
merupakan penjumlahan vektor dari gaya
g
yang bekkerja
y
sejajar dan tegak lurus terhadap chhord. Sudut yang
dibentuk anntara sumbu arrah kecepatann udara bebas dan
Gambar
G
2.1 Gaya
G
Aerodin
namika pada Airfoil [3]
kanan dinamikk pada airfoill bekerja padaa luasan area
Tek
pen
nampang dapaat dirumuskan:
(2.3)
q = ½ ρ v2 (N/m2)
Berrikut merupaakan koefisieen gaya daan koefisien
mom
men yang diteerima airfoil.
(2.4)
Cl = L / (q S) (lift coefficiennt)
Dim
mana : L = gayya angkat (N)
S = surrface area (m2)
v = keccepatan obyekk (m/s)
1
⎛T ⎞
=
⎜ ⎟
⎝ W ⎠ cruise (L D ) cruise
Gambar 2.2
(2.5)
Gayaa yang Bekerrja Saat Cruisse
m
benntuk
Padda pesawatt yang memiliki
penampang horizontal beerupa rectanggular chord, gaya
g
lift yang terjjadi di center of grafity dappat didistribusikan
dalam bentuuk elliptical distribution
d
lifft sepanjang jarak
per span saayap dari fusselage. Besarnnya gaya lift per
span sayapp dapat dikeetahui dengaan menggunaakan
persamaan berikut:
b
[4]
L (y
)=
4L
πb
⎛ y ⎞
1− ⎜
⎟
⎝ b ⎠
2
(2.6)
Dimana : L((y) = Distribussi gaya lift perr span (N/m)
L = Gaya liftt pada CG (N)
m)
y = jarak per span sayap daari fuselage (m
s
(m)
b = panjang sayap
Pada persam
maan tersebut diambil jarakk per span denngan
interval sebeesar 15,7 cm.
Gambar 2.3
D
Distribusi
Gaaya Angkat
Seccara strukturaal, beban yanng mengakibaatkan
deformasi pada suatuu struktur dinamakan
d
g
gaya
S
gaaya internal merupakan suatu
eksternal. Sedangkan
respon dari gaya eksternnal yang diterima (stress) dan
d struktur (strain).
(s
Pada gambar di baawah
deformasi dari
ini menunjukkan strukttur yang meengalami tenssion,
compressionn, dan shear.
Gambar
G
2.4
Pembebaanan Arah No
ormal dan
Radial pada Silinder
Karrena materiaal komposit yang dianaalisa secara
mak
kromekanik, maka
m
perhitunngan kekuatan
n tarik hanya
berd
dasarkan perbbandingan bebban yang diteerima dengan
luass penampang,, sehingga peersamaan yan
ng digunakan
adaalah sebagai beerikut:
σ=F/A
ε = Δl / l
Dim
mana : σ = tegangan (N/m2)
g
(N)
F = gaya
A = luas
l
penampaang (m2)
ε = regangan
r
Δl = perubahan paanjang (m)
p
awal ((m)
l = panjang
(2.7)
(2.8)
Suatu struktur kom
mposit dikattakan gagal
apaabila struktur tersebut telaah mengalam
mi kerusakan
totaal ketika menndapat suatu beban terten
ntu. Hal ini
berllaku baik baggi komposit ddengan satu la
ayer maupun
mulltilayer. Berddasarkan batassan yang telaah dijelaskan
sebelumnya yaituu berdasarkann sifat makrosskopik, maka
kuatan materrial kompositt dilihat seb
bagai suatu
kek
matterial utuh sehhingga analisaa kekuatannya didasarkan
pad
da kekuatan laapisannya. Teerdapat tiga kemungkinan
k
mod
dus kegagalann pada kompoosit yang men
nerima beban
tarik longitudinall, yaitu :
B
failure : matriks mam
mpu menahan
n beban geser
a. Brittle
dan menerusskan beban ttersebut kepaada serat di
sekitarnya. Sehingga
S
serrat yang pattah semakin
banyak sampaai timbul retakkan
b. Debonding
D
: matriks tidakk mampu men
nahan beban
geser sehinggga serat terleepas dari maatriks. Bahan
komposit akaan rusak searahh serat
c. Brush-type : Serat patahh di sembarrang tempat
bersamaan deengan rusaknyya matriks. [5]]
Kriteria kegagalan pada material anisotropis
telaah dikembanggkan oleh T
Tsai-Hill unttuk material
kom
mposit. Teori tersebut meruupakan kriteriia kegagalan
lam
mina orthotroppis yang menngalami kegagalan akibat
pem
mbebanan muultiaksial (m
multiaxial streess). Dalam
kritteria ini kegaagalan akan tterjadi apabilaa memenuhi
kon
ndisi di bawahh ini:
1
(2.9)
Nilai-nilai tegangan pada persamaan di atas harus
sesuai dengan karakteristik σ11 dan σ22. Jika σ11 bersifat
tegangan tarik maka nilai digunakan SLt yang juga
bersifat tarik, sedangkan apabila σ22 merupakan
tegangan tekan maka yang digunakan adalah nilai STc.
Hal ini berlaku pula untuk komponen-komponen lain.
[6]
3. Metodologi Penelitian
A
PEMBUATAN MODEL SAYAP NACA
0009 (PROGRAM ANSYS)
PERHITUNGAN SIFAT MEKANIK LAMINAT
GABUNGAN DENGAN VARIASI ARAH SERAT 0o, 45o &
90o
angle ply < 90
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 :
o
ARAH SERAT = 90o?
angle ply = 90
o
SIMULASI PEMBEBANAN PADA SAYAP HSFTB
V2
ANALISA TEGANGAN
START
ARAH SERAT YANG PALING
PENGAMBILAN DATA &
STUDI LITERATUR
FINISH
INPUT GEOMETRI HSFTB V2
(PROGRAM MISDAT)
Gambar 3.1
ANALISA KOEFISIEN GAYA
AERODINAMIKA PADA HSFTB V2
MENGHITUNG DISTRIBUSI GAYA
ANGKAT PADA SAYAP
M < 0,75
MACH NUMBER = 0,75?
Diagram Alir Tugas Akhir
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:
M = 0,75
A
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.
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 TsaiHill dengan tensile ultimate strength, compressive
ultimate strength, dan ultimate shear strength sebagai
berikut:
• Angle Ply 0o
Compression
:SLc=425MPa;STc=70MPa;SS=3836,41MPa
Tension : SLt=440MPa ; STt=70MPa ; SS=3836,41MPa
Analisa Kegagalan Angle Ply 0o
Tabel 4.1
Mach Number Stress 11 (Mpa) Shear Stress 12 (Mpa) Stress 22 (Mpa) Tsai‐Hill Work Theory 0.55 2959.2 1579.5 5637.9 704.4793844 0.6 3587 1914.6 6834 1035.102281 0.65 4146.1 2213 7899.1 1382.900798 0.7 4921.5 2626.9 9376.5 1948.565344 0.75 5823.8 3108.5 11096 2728.720811 Mach Number Stress 11 (Mpa) Shear Stress 12 (Mpa) Stress 22 (Mpa) Tsai‐Hill Work Theory 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 6952.4 8242.4 9722.3 11564 14006 2761.2 3273.5 3861.3 4592.9 5562.6 5219.2 6187.5 7298.5 8681.5 10514 5815.25366 8173.195243 11371.77916 16089.73227 23599.24353 5. Kesimpulan
Setelah melakukan beberapa simulasi dan
analisa berdasarkan kegagalan material komposit maka
dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Kekuatan laminat angle ply 0o dalam menahan
beban yang terjadi pada sayap memiliki
perbedaan nilai Tsai-Hill 51,6% terhadap
angle ply 45o. Sedangkan antara arah serat 0o
dan 90o terdapat perbedaan nilai Tsai-Hill
work theory sebesar 87,9%
2.
[1]
o
Compression:SLc=240MPa;STc=240MPa;SS=2019.61
MPa
Tension : SLt=240MPa ; STt=240MPa ; SS=2019.61 MPa
Analisa Kegagalan Angle Ply 45o
Tabel 4.2
Mach Number Stress 11 (Mpa) Shear Stress 12 (Mpa) Stress 22 (Mpa) Tsai‐Hill Work Theory 0.55 1854.5 3764.9 11664 1455.172827 0.6 2247.9 4563.7 14139 2138.142532 0.65 2598.3 5275.5 16343 2856.683173 0.7 3084.2 6261.5 19399 4024.970239 0.75 3649.7 7409.6 22956 5636.302069 • Angle Ply 90o
Compression:SLc=70MPa;STc=425MPa;SS=12587.26
MPa
Tension : SLt=70MPa ; STt=440MPa ; SS=12587.26 Mpa
Dari perbandingan di atas, arah serat yang
paling optimal dalam menerima beban gaya lift
saat cruise adalah laminat komposit epoxy
dengan arah serat 0o.
6. Daftar Pustaka
[2]
• Angle Ply 45
Analisa Kegagalan Angle Ply 90o
Tabel4.3
[3]
[4]
[5]
[6]
Sudiana, Oka. “Laporan Uji Terbang HSFTB
V2.” Laporan. Bidang Kendali Teknologi
Dirgantara Lapan, 2011.
Subianto, Nicki. “Analisis Kekuatan Tarik
Komposit Serat Bambu Yang Dibuat dengan
Metode Manufaktur Hand Lay Up.” Tesis.
Program Studi Aeronotika Astronotika Institut
Teknologi Bandung, 2009.
Anderson, John D. “Fundamental of
Aerodynamics.” McGraw-Hill, Inc., 1984.
http://aerospace. eng.usm.my/rcp/index. php/
analysis/finite-element-analysis-fea
Raymer, Daniel P. “Aircraft Design – A
Conceptual Approach 2nd Edition.” California
AIAA Education Series, 1992.
Yuwono, Akhmad H. “Analisis Mekanik
Komposit Laminat.” Departemen Metalurgi
dan Material Universitas Indonesia, 2009.