abstrak optimasi perancangan sayap struktur grid

ABSTRAK
OPTIMASI PERANCANGAN SAYAP STRUKTUR GRID
KOMPOSIT MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK:
STUDI KASUS PESAWAT TRANSPORT SIPIL
KAPASITAS 19 PENUMPANG
Oleh
I Gusti Ngurah Sudira
NIM: 33612001
(Program Studi Doktor Teknik Dirgantara)
Persaingan yang ketat antara industri pesawat terbang di dunia membuat para
perancang terus berusaha melakukan inovasi perancangan struktur untuk
memperoleh pengurangan berat struktur. Pengurangan berat struktur memiliki
dampak pada penggunaan bahan bakar pesawat terbang, jarak jangkau, daya
angkut, dan lain-lainnya. Beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi
berat struktur yaitu penggunaan material komposit sebagai pengganti metal,
mengubah tipe desain dari struktur tradisional dengan struktur grid, memperbaiki
metode desain dan analisis struktur, dan memperbaiki metode manufaktur. Sampai
saat ini peneliti dan rekayasawan terus berusaha untuk memperkenalkan teknologi
baru baik dalam bidang desain, manufaktur, dan penggunaan material komposit.
Penggunaan komposit mengalami kemajuan pesat dari prosentase kandungannya
dalam struktur pesawat terbang. Airbus A350 dan Boeing 787 adalah dua pesawat
terbang komersil modern yang memanfaatkan komposit untuk memperoleh
keunggulan dari segi berat struktur.
Dengan pengalaman panjang penggunaan struktur grid dalam bangunan sipil dan
bidang spacecraft, para peneliti mulai melihat peluang penerapan struktur grid
untuk pesawat terbang. Struktur dengan penguat grid telah diteliti banyak peneliti
untuk memperoleh kemungkinan mengganti struktur monocoque, skin-stringer dan
struktur sandwich dengan inti honeycomp. Kebanyakan aplikasi struktur grid pada
bidang spacecraft memiliki bentuk geometri silinder. Aplikasi struktur grid untuk
bidang aircraft merupakan terobosan baru dalam rancang bangun pesawat terbang.
Mayoritas penelitian struktur grid di bidang aircraft dilakukan pada komponen
fuselage yang secara geometri serupa dengan bentuk geometri struktur grid pada
bidang spacecraft.
Penerapan struktur grid untuk perancangan sayap pesawat terbang memunculkan
beberapa permasalahan, yaitu masalah teknik pemodelan struktur grid, penyediaan
perangkat desain dan analisis respon struktur, serta masalah teknik verifikasi hasil
desain. Dalam rangka memperoleh hasil desain yang optimum maka perlu
dilakukan optimasi desain struktur grid sayap pesawat terbang dengan
i
menggunakan algoritma genetik (AG) yang didukung oleh metode elemen hingga
(MEH). AG merupakan algoritma optimasi yang populer karena dapat diterapkan
pada data yang bersifat diskrit dan dengan jumlah variabel yang banyak. AG
merupakan algoritma optimasi probabilistik yang dibuat berdasarkan teori evolusi.
Penerapan AG untuk perancangan struktur grid pesawat terbang masih tergolong
metode baru. Walaupun ada banyak algoritma yang berbeda, tetapi struktur dasar
AG masih tetap sama, yaitu terdiri dari populasi awal, evaluasi kecocokan, seleksi,
persilangan, mutasi, dan fungsi target.
Penelitian ini bertujuan untuk menerapkan struktur grid untuk perancangan struktur
sayap pesawat terbang model N219 melalui proses optimasi AG menggunakan
material komposit CFRP IM6/5208 pada kulit dan aluminium pada penguat dalam
fase preliminary design. Tujuan penelitian lainnya, yaitu pengembangan perangkat
optimasi AG yang didukung MEH untuk perancangan struktur grid sayap pesawat
terbang.
Langkah penelitian diawali dengan pembuatan perangkat optimasi dengan kegiatan
utama membuat kode MEH yang dapat digunakan untuk analisis wing box yang
mengandung panel kulit komposit dengan penguat grid aluminium. Setelah berhasil
membuat perangkat optimasi termasuk proses validasinya, penelitian dilanjutkan
pada aktivitas utamanya, yaitu penerapan perangkat optimasi untuk perancangan
struktur grid sayap pesawat terbang pada tahap preliminary design. Penerapan
perangkat optimasi dimulai dari model planar dilanjutkan dengan model wing box
tanpa kulit dan terakhir adalah perancangan struktur wing box yang mengandung
kulit komposit dan penguat grid aluminium model sayap N219. Proses analisis
buckling dilakukan terpisah dari proses optimasi desain struktur berdasarkan
strength, dengan menggunakan program komersil Nastran.
Kesimpulan yang dapat diambil dalam penelitian ini, yaitu struktur grid lebih
ringan dari struktur tradisional. Perbedaan berat kedua tipe struktur tersebut makin
besar dengan meningkatnya sudut swept. Kondisi ini menunjukkan bahwa struktur
grid lebih efektif jika diterapkan pada sayap dengan sudut swept yang besar. Beban
kritis dan faktor beban kritis struktur grid lebih besar daripada struktur tradisional.
Nisbah faktor buckling terhadap beratnya sendiri menunjukkan keunggulan struktur
grid dibandingkan dengan struktur tradisional.
.
Kata kunci: Struktur grid, komposit, optimasi AG, MEH.
ii
ABSTRACT
DESIGN OPTIMIZATION OF WING STRUCTURE GRID
COMPOSITE USING GENETIC ALGORITHM: CASE STUDY
CIVIL TRANSPORT AIRCRAFT 19 PASSENGER CAPACITY
By
I Gusti Ngurah Sudira
NIM: 33111501
(Doctoral Program of Aerospace Engineering)
Tight competition among aircraft industries in the world motivates the designer of
making structure design innovation to obtain structure weight reduction. Structure
weight reduction has impact of aircraft fuel consumption, range, payload, etc. Some
solution can be used to reduce structure weight, namely utilisation of composite as
replacement of metal, change of design type from traditional to grid structure,
improvement of design and analysis method, and improvement of manufacturing
technology. Currently, researcher and designer have introduced new technology of
design, manufacturing, and aplication of composite material. Aplication of
composite material in aircraft design, showed high progress in component content
percentage. Airbus A350 and Boeing 787 are two modern airplane of using
composite material to obtain structure weight benefit.
According to long time experiences of using grid structure in civil building and
spacecraft field, the researcher found opportunity of using grid structure in aircraft
design. Grid structure have been studied by researcher to obtain the posibilities of
replacement monocoque skin-stringer and honeycomb core sandwich. Most of grid
structure application use cylindrical model in spacecraft field. Application of grid
structure in aircraft design is a new penetration. Fuselage is opten time used as the
research object of grid structure, geometrically similar shape with grid structure in
spacecraft field application.
Application of grid structure in wing design are creating some problem namely
structure grid modeling method, design and analysis tools that can be used, and the
method of design output verification. In order to obtain the optimum design, this
research used optimization method of grid structure design for aircraft wing by the
application of genetic algorithm (GA) and finite element method (FEM). Genetic
algorithm is vary populer due to the capabilities of getting solution in the case of
discret data and big numbers of design variable. Genetic algorithm is probabilistic
optimization algorithm that was generated based on evolution theory. The
aplication of GA on grid structure design especially for aircraft design can be
classificated as a new method. Eventhough there are many algorithm, but the basic
structure of GA is still the same, i.e., consist of initial population, fitness
evaluation, selection, crossover, mutation, and objective function.
iii
The objective of this research is the application of grid structure on wing design of
N219 aircraft model that consist of composite CFRP IM6/5208 skin and aluminium
stringer grid in preliminary design phase. The other objective of this research is
generating of optimization tools with FEM support for structure grid design of
aircraft wing.
The first activity of this research is generating optimization tools with the main
activity of generating FEM code with the capabilities for analysis wing box with
contains of composite skin and aluminium stringer grid. After finish of generating
otimization tools including validation process, application of optimization tools for
grid structure design of aircraft wing at preliminary design phase can be performed.
The application of optimization tools was started from planar model, and then wing
box, and finally design of wing box structure using N219 wing model. Buckling
analysis process was conducted separated from strength based design optimization
process, using Nastran commercial program.
The conclusion can be obtained namely grid structure lighter than traditional
structure. The differences of weight for the two type of structure increase with
increasing of swept angle. This condition show that grid structure more effective if
it was applied on high swept angle wing. Critical load and critical load factor for
grid structure bigger than traditional structures. Ratio of buckling factor with
respect to its weight, showed superiority of grid structure compared with traditional
structure.
Keyword: Grid structure, composite, GA optimization, FEM.
iv