Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 PENERAPAN METODE TAGUCHI UNTUK OPTIMISASI PELAT KOMPOSIT BERLUBANG PADA PESAWAT LSU-05 NG APPLICATION OF TAGUCHI METHOD FOR OPTIMIZATION COMPOSITE PLATE WITH CIRCULAR HOLE ON LSU-05 NG Virdan Pratama1, Abian Nurrohmad2, Rizky Fitriansyah2, Agus Bayu Utama2 1 Universitas Nurtanio, Bandung, Indonesia 2 Pusat Teknologi Penerbangan, Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN), Indonesia [email protected] Abstrak Adanya lubang pada struktur seringkali menjadi permasalahan serius, karena dengan adanya lubang akan memicu terjadinya lonjakan konsentrasi tegangan. Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimisasi strukktur komposit berlubang pada pesawat LSU-05NG. Metode Elemen Hingga digunakan sebagai analisis untuk perhitungan konsentrasi tegangan. Adapun parameter desain yang digunakan diantaranya: diameter Lubang, material, dan arah serat. Ketiga faktor tesebut dioptimisasi menggunakan metode Taguchi dengan fungsi objektif mendapatkan tegangan yang rendah (optimal). Dari hasil ANOVA didapat konfigurasi desain optimum adalah pelat berdiameter lubang 22 mm, material fiber karbon, dan arah serat 0/90, dengan nilai tegangan sebesar 287 kPa. Adapun masingmasing parameter desain mempunyai kontribusi terhadap kekuatan sebagai berikut: diameter lubang 8.59%; material fiber 9.10%; dan arah serat sebesar 68.36%. Kata kunci: Pelat berlubang, komposit, metode taguchi, Metode Element Hingga Abstract The existence of holes in the structure is often a serious problem, because the presence of a hole will trigger a surge in high stress concentration. This study aims to optimize hole composite structures on the LSU-05NG aircraft. The Finite Element Method is used as an analysis for calculation of stress concentration. The design parameters used include: Hole diameter, material, and fiber direction. These factors were optimized using the Taguchi method with the objective function of getting a low stress (optimal). From the ANOVA results obtained the optimum design configuration is a hole with diameter 22 mm, carbon fiber material, and fiber direction 0/90, with a stress value of 287 kPa. Each design parameter contributes to the following strengths: 8.59% hole diameter; fiber material 9.10%; and fiber direction of 68.36% Keywords: plate with hole, composite, taguchi method, finite element method 1. PENDAHULUAN Pelat komposit merupakan struktur pokok dalam bidang kontruksi rancang bangun. Bagian Pelatpelat komposit dalam suatu rangka, mempunyai misi dan fungsinya masing-masing, seperti pelat komposit yang berlubang untuk memudahkan proses wiring pada sistem pesawat. pelubangan juga merupakan persyaratan struktural untuk struktur aeronautika, mekanis, dan sipil [1]. Namun adanya lubang pada struktur seringkali menjadi permasalahan serius, kondisi ini akan mengubah distribusi tegangan di sekitar bagian yang mengalami perubahan geometri [2]. Karena dengan adanya lubang akan memicu terjadinya lonjakan konsentrasi tegangan yang mengakibatkan terjadinya retak pada struktur [3]. Pemahaman tentang pengaruh konsentrasi lubang dan tegangan pelat sangat penting dalam desain komponen [4]. Oleh karena itu supaya produk hasil manufacturing menghasilkan kualitas terbaik umtuk membuat pelat berlubang tersebut. Maka dibuatlah Metode Taguchi, yang bertujuan untuk menghasilkan kualitas terbaik. Metode ini merupakan metodologi baru dalam bidang teknik yang bertujuan untuk memperbaiki kualitas produk dan proses serta dalam dapat menekan biaya dan resources seminimal mungkin [5]. Sasaran metode Taguchi adalah menjadikan produk robust terhadap noise, karena itu sering disebut sebagai Robust Design. Metode Taguchi merupakan off-line quality control [6], artinya pengendalian kualitas yang preventif, sebagai desain produk atau proses sebelum sampai pada tingkat produksi. Sangat penting untuk memilih faktor yang mempengaruhi kualitas. Seperti diameter lubang, material yang digunakan, dan arah serat. Yang mana ketiga faktor tersebut akan mempengaruhi hasil pengujian kekuatan struktur pelat komposit berlubang. Untuk menghitung kuatnya struktur pelat berlubang, digunakan metode elemen hingga. Software metode elemen hingga yang digunakan dalam pengujian ini adalah ABAQUS. Dalam pengujiannya, objek di uji dengan uji tarik. Dimana uji tarik merupakan salah satu prosedur yang digunakan untuk mengkarakterisasi deformasi elastis dan plastis yang berhubungan dengan perilaku mekanik suatu material [7]. Uji tarik tersebut dilakukan berdasarkan variasi faktor yang mempengaruhi objek tersebut. Tiap faktor memiliki level variasi yang berbeda, sehingga hasil dari pengujiannya beragam di setiap variasi. Hasil dari setiap variasi akan di kumpulkan dan di kalsifikasi menggunakan metode taguchi, supaya kita dapat mengetahui paduan yang mana yang akan menghasilkan model robust (optimal) untuk dijadikan pertimbangan pembuatan pelat komposit berlubang. 2. METODOLOGI Benda Uji memiliki geometri panjang dan lebar yang tetap, akan tetapi memiliki variasi ukuran lubang yang berbeda. Yang mana memiliki panjang = 160 mm, lebar = 50 mm, dan memiliki diameter = (22 mm / 25 mm / 28 mm). Gambar 1. Geometri Pelat Berlubang Tabel 1. Data Faktor Variasi Faktor Diameter Material Arah Serat Level 1 22 mm E glass (45/-45)4s Level 2 25 mm Carbon (0/90)4s Level 3 28 mm Kevlar (0/90)(45/-45)4s Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 Tabel 2. Data Properties Material E1 (kPa) E2 (kPa) E3 (kPa) G12 (kPa) G13 (kPa) G23 (kPa) Nu E Glass 45600 16200 16200 5830 5830 5790 0.28 Carbon 126000 11000 11000 6600 6600 3930 0.29 Kevlar 76800 5500 5500 2070 2070 1400 0.34 Gambar 2. Prosedur Penelitian Pemodelan Finite Element Pemodelan dimulai dengan membuat geometri yang sudah ditentukan di awal. Di tengah pelat tersebut diberi lubang sesuai ukuran pada Tabel 2. Dimana lubang merupakan faktor pertama dari ketiga faktor penelitian ini. Gambar 3. Geometri Pelat dengan ukuran lubang 22 mm di Abaqus Selanjutnya model uji diberi faktor kedua yaitu material, dimana data materialnya harus sesuai dengan data berdasarkan Tabel 3. Gambar 4. Input Data Material dari jenis Carbon Kemudian setelah meng input data material. Selanjutnya memberi faktor yang ketiga, yaitu arah serat. Dalam pembuatan komposit, tata letak dan arah serat akan menentukan kekuatan mekanik komposit, juga dapat mempengaruhi kinerja komposit tersebut [8]. Gambar 5. Arah Serat (0/90)4s pada Model Uji Setelah ketiga faktor tersebut sudah di input pada model uji, baik diameter lubang / material / dan arah serat. Tahap Selanjutnya adalah meshing, yaitu dengan membentuk elemen-elemen kecil agar Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 analisis struktural dapat dilakukan lebih mudah dan mendetail [9]. Secara umum, semakin halus mesh maka lebih akurat hasilnya [10]. Namun pada saat proses meshing, baiknya model uji diberi geometri berupa garis yang saling menyilang. Tujuannya supaya meshing tidak acak dan tidak berantakan (rapih). Gambar 6. Pembuatan garis geometri untuk Meshing, dan Hasil Meshing Kemudian model uji diberi beban kerja dan kondisi batas. Pada bagian ujung bawah pelat diberi tumpuan fixed, kemudian di ujung atas pelat diberi beban kerja sebesar 400 N. Jadi Model Uji akan di uji tarik berdasarkan pemberian beban kerja di ujung atas pelat yang diberi arah ke atas (tarik). Gambar 7. Pemberian Beban Kerja dan Kondisi Batas 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan set up model finite element, maka langkah selanjutnya adalah running dari hasil pemodelan. Hasil running dari variasi faktor diameter = 22 mm, material = carbon, dan arah serat = (0/90)4s menghasilkan nilai tegangan maksimum sebesar 2.87 kPa. Kontur distribusi tegangan dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar 8. Distribusi Tegangan pada Model Uji yang memiliki diameter = 22 mm / material = carbon / dan arah serat = (0/90)4s Lalu dilakukan pengujian yang semisal dengan variasi yang beragam, setiap model uji dilakukan percobann tiga kali, yang pertama menggunakan 90% dari properties material, kedua 100% dari properties material, dan yang ketiga 110% dari properties material. Tabel 3. Variasi Faktor beserta Hasil Percobaannya Trial 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Diameter 22 22 22 25 25 25 28 28 28 Faktor Material Arah Serat E Glass (45/-45)4s Carbon (0/90)4s Kevlar (45/-45)(0/90)4s E Glass (0/90)4s Carbon (45/-45)(0/90)4s Kevlar (45/-45)4s E Glass (45/-45)(0/90)4s Carbon (45/-45)4s Kevlar (0/90)4s Hasil Percobaan (kPa) 1 (90%) 2 (100%) 3 (110%) 1273.94 1217.58 1217.58 286.29 286.50 286.50 2404.24 2404.30 2404.30 1047.04 1048.94 1049.12 1739.60 1746.68 1740.30 2771.47 2809.56 2811.76 1841.71 1841.41 1841.67 1892.37 1943.84 1943.91 421.25 421.17 421.25 Rata Rata (kPa) 1236.37 286.43 2404.28 1048.37 1742.19 2797.60 1841.60 1926.71 421.23 1522.75 Hasil Data dari Variasi Faktor pada Tabel 4. Selanjutnya di olah pada table respon rata-rata, untuk mencari urutan faktor yang paling berpengaruh, juga untuk menentukan model uji yang paling optimum. Model Uji bisa disebut Optimum apabila memiliki konsentrasi tegangan terkecil. Tabel 4. Hasil Respon Rata-Rata Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 Level 1 Level 2 Level 3 Efek/Diff Rank Optimum Diameter (kPa) 1309.03 1862.72 1396.51 553.69 3 Diameter Lv1 22 mm Material (kPa) 1375.44 1318.44 1874.37 555.92 2 Material Lv2 Carbon Arah Serat (kPa) 1986.89 585.34 1996.02 1410.68 1 Arah Serat Lv1 (0/90)4s Level 1 atau A1 bar = (1236.37+286.43+2404.28)/3 = 1309.03 Dan perhitungannya berlaku semisal pada seterusnya, baik pada Level 2, Level 3 (1) Efek faktor Diameter = rata-rata respon terbesar – rata- rata respon terkecil = 1862.72 - 1309.03 = 5.54E+02 (2) Setelah ditemukannya model uji yang paling optimum, selanjutnya menghitung ANOVA untuk mengetahui persentase dari tiap-tiap faktor yang mempengaruhi. Taguchi juga menggunakan metode ANOVA, dimana ada hasil perhitungan mengenai jumlah kuadrat total, jumlah kuadrat rata rata, jumlah kuadrat faktor, dan jumlah kuadrat error [11]. Tabel 5. Tabel ANOVA (Analysys Of Variance) Sumber Diameter Material Arah Serat e SSt SS Mean SS total SS 1594741.24 1683674.62 11863342.99 2155861.38 17297620.23 62606842.96 79904463.19 DF 2 2 2 18 26 MS 797370.62 841837.31 5931671.49 119770.08 665293.09 Fratio 6.66 7.03 49.53 1.00 SS' 1474971.17 1563904.54 11743572.91 2036091.31 17177850.15 SS total = ∑ Y2 = (1273.94)2+(1217.58)2+(1217.58)2+ . . . +(421.17)2+(421.25)2 = 79904463.19 SS mean SS Diameter % 8.59 9.10 68.36 11.85 100.00 (3) = n (Ybar)2 = 27(1522.75)2 = 62606842.96 (4) = nA1(A1bar)2+ nA2(A2bar)2+ nA3(A3bar)2 – SS mean = 9 (1309.03)2 + 9 (1862.72)2 + 9(1396.51)2 - 62606842.96 = 1594741.24 (5) e = SStotal – SSmean - SS Diameter - SS Material - SS Arah Serat = (79904463.19) – (62606842.96) – (1594741.24) – (1683674.62) – (11863342.99) = 2155861.38 (6) SSt = SS Diameter + SS Material + SS Arah Serat + e = (1594741.24) + (1683674.62) + (11863342.99) + (2155861.38) = 17297620.23 MS Diameter = SS Diameter/ Df (7) = (1594741.24) / 2 = 797370.62 (8) Diagram 1. Persentase Faktor 80,00% 70,00% 60,00% Fratio Diameter = MS Diameter / MS e = (797370.62) / (119770.08) = 6.66 (9) SS' Diameter = SS Diameter – MS e = (1594741.24) – (119770.08) = 1474971.17 (10) 50,00% Persentase = [SS' Diameter / SS' SSt] x 100% = [(1594741.24) / (17177850.15)] x 100% = 8.59% (11) 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Diameter Material Arah Serat Persentase Perbandingan Hasil Visualisasi E-Glass Carbon Kevlar Gambar 9. Perbandingan visualisasi dengan Material yang berbeda Gambar 9. di atas merupakan perbandingan visualisasi dengan ukuran diameter yang sama (diameter = 22 mm), dan arah serat yang sama (0/90)4s, namun memiliki material yang berbeda. Dari hasil gambar, efek visualisasi dari Carbon dan Kevlar hampir sama. Namun, Carbon lebih unggul, Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 karena memiliki konsentrasi tegangan terkecil dibandingkan dengan material lain. Dimana nilai tegangannya masing masing adalah E-Glass = 929 kPa, Carbon = 288 kPa, dan Kevlar = 353 kPa. (0/90)4s (45/-45)4s [(45/-45)(0/90)]4s Gambar 10. Perbandingan visualisasi dengan Arah Serat yang berbeda Gambar 10. di atas merupakan perbandingan visualisasi dengan ukuran diameter yang sama (diameter = 22 mm), dan material yang sama (Carbon), namun memiliki arah serat yang berbeda. Dari hasil gambar, efek visualisai terlihat arah serat (45/-45)(0/90)4s mempunyai efek yang hampir sama dengan (45/-45)4s, ini disebabkan karena adanya serat (45/-45)4s pada serat gabungan tersebut. Namun arah serat yang baik untuk uji tarik adalah arah serat (0/90), karena arah seratnya sesuai dengan arah gaya. Dimana nilai tegangannya masing masing adalah (0/90)4s = 929 kPa, (45/-45)4s = 1.581 kPa, dan [(45/-45)(0/90)]4s = 1.610 kPa. Dan dari hasil tegangan ini pula dapat disimpulkan mengapa arah serat memilik persentase besar dari faktor-faktor lain, Karena hasil tegangannya cukup drastis. Diameter 22 mm Diameter 25 mm Diameter 28 mm Gambar 11. Perbandingan visualisasi dengan Diameter Lubang yang berbeda Gambar 11. di atas merupakan perbandingan visualisasi dengan ukuran material yang sama, dan arah serat yang sama, namun memiliki diameter yang berbeda. Karena arah seratnya sama dan material nya sama, sehingga tidak terlalu terlihat perbedaannya. Hanya saja semakin besar ukuran lubang, semakin tertarik pula sisi pelat yang dekat dengan lubang (jarak sisi lubang dengan sisi pelat semakin kecil jaraknya). Tidak hanya itu, semakin besar lubang semakin besar pula tegangannya. Dimana nilai tegangannya masing masing adalah 22 mm = 288 kPa, 25 mm = 307 kPa, dan 28 mm = 339 kPa 4. KESIMPULAN Dari Penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan. Pertama, apabila diameter lubang semakin kecil pada pelat, maka semakin kecil pula konsentrasi tegangan pada model uji tersebut. Kemudian salah satu variasi faktor material yaitu Fibre Carbon, lebih layak untuk uji tarik dibandingkan dengan material E-Glass dan Kevlar. Lalu faktor arah serat, dengan variasi arah serat (0/90)4s lebih cocok untuk uji tarik, dikarenakan gaya yang bekerja searah dengan arah serat. Dalam perhitungan ANOVA, arah serat memiliki peranan penting pada Uji Tarik, karena pada pengujian ini arah serat memiliki persentase cukup besar, sebesar 68.36%. Artinya arah serat lebih berpengaruh dibandingkan diameter lubang, dan bahan material. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada LAPAN, karena telah mendukung dan mefasilitasi mahasiswa dalam memalukan penelitian berkaitan dengan ilmu dirgantara. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada para pembimbing, yang membantu penelitian ini, PERNYATAAN PENULIS Penulis dengan ini menyatakan bahwa seluruh isi makalah ini merupakan tanggung jawab penulis. DAFTAR PUSTAKA [1] Al-Shamari, Mohsin Abdullah. 2015. Effect of Hole Sahpe on Free Vibration characteristic of undirectional composite plates. Baghdad: Mechanical Engineering Department/ Baghdad University [2] Wiratmaja, Satry, Budi Riyanto. Pengaruh Arah Serat dan Susunan Lapisan terhadap Faktor Konsentrasi Tegangan pada Komposit Laminate Carbon/ Epoxy AS4/ 3501-6 Berlubang Lingkaran dan Elips. Bandung: Laboratorium Perancangan Mesin/ Teknik Mesin ITB [3] Hartini, Dwi. 2016. Analisis Elemen Hingga Untuk Faktor Konsentrasi Tegangan Pada Pelat Isotropik Berlubang Dengan Pin-Loaded. Yogyakarta: Sekolah Tinggi Teknik Adisucipto [4] Wankar, Bayas, Prof. Hredey Mishra. 2016. Relation Between Hole Diameter To Width Ratio & SCF Of Rectangular Plate Having Central Circular Hole. India: Mechanical Engineering Maharashtra [5] Wahyu Widodo. 2012. Metode Taguchi di https://www.scribd.com [6] Pranowo, dan Muhammad Thoriq. 2013. Aplikasi Metoda Taguchi Untuk Mengetahui Optimasi Kebulatan Pada Proses Bubut Cnc. Surabaya: ITS [7] Jose, and Tom Anto. 2015. Analysis of Tensile Test of Mild Steel using Finite Element Method. Kochi, India: Federal Institute of Science & Technology Seminar Nasional Iptek Penerbangan dan Antariksa XXIII-2019 [8] Djunaedi, dan Bambang Setiawan. 2018. Pengujian Kekuatan Tarik Komposit Variasi Arah Serat Roving – Resin Polyester BQTN R157 Yang Diproduksi Dengan Metode Vacuum Bagging Untuk Aplikasi Pesawat Tanpa Awak. Jakarta: Universitas Muhammadiyah Jakarta [9] Ferdiyanto, David. 2011. Pengaruh Elemen dan Jumlah Nodal Pada Pemodelan Uji Tarik Pelat Isotropik dengan Pembebanan Uni-Aksial Menggunakan Metode Elemen Hingga. Depok: Fakultas Teknik Universitas Indonesia [10] Anto, Anik Das. 2019. The Influence Of Number And Orientation Of Ply On Tensile Properties Of Hybrid Composites. Bangladesh: Khulna University of Engineering & Technology [11] Fitria, Nana. 2009. Analisis Metode Desain Eksperimen Taguchi Dalam Optimasi Karakteristik Mutu. Malang: Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim Malang
