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

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 : 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

yang meng (reinforcem Gabungan m adalah matr Bahan k adalah jen pembuatan matriks yan dipanaskan digunakan p tahan terha curing seh kembali, ta proses fabri sifat adhesif laminat dan yang bekerj tidak berfun kedua komp ataupun beb Pelat be terdiri dari bersama m berlapis dib menahan be dicapai den mampu pad arah tegak digunakan lapisan lam komposit ya setiap lapisa 2.2 Gaya A Say stabilitas ter Gerakan rol terbang. Ha pembuatan dalam oper beban pelu struktur say baik berupa aerodinamik yaitu: - Distribusi - Distribusi Mekanisme pada airfoi distribusi permukaan. secara umu gaya aerod Kecepatan kecepatan a biasa diseb merupakan sejajar dan dibentuk an gisolasi fasa ent) atau f makroskopis

iks dan pengu komposit yang is epoxy ya aircraft. Ep ng termasuk d akan menger pada bidang a adap kelemba ingga tidak ahan temperat ikasi. Epoxy m f. Fungsinya n antar lamina rja pada struk ngsi menahan ponen tersebu berapa lapisan erlapis (lamin dua lapisan membentuk s

buat agar ele eban multiaks gan lapisan tu da arah serat lurus serat. O untuk menah minate yang ang memiliki an. [2] Aerodinamika yap pesawat rbang, sehingg lling pada pes al ini salah s struktur saya rasionalnya sa uncuran pesa yap pesawat m a gaya hamba ka dan mome tekanan pada tegangan rega alami memi il yang berg tekanan dan Akibat dari t um pada perm dinamika (R) udara beba aliran yang ja but kecepatan penjumlahan tegak lurus ntara sumbu ar berupa ser fasa sebaran fasa-fasa pem uat. g digunakan ang umum poxy merupa dalam kategor ras). Matriks airplane, kare aban, penyusu dapat diuba tur tinggi, da merupakan res adalah menya at. Sehingga d ktur tidak dit n beban mela ut maka terben n komposit) nate) merupa n atau lebih struktur yang men struktur sial, sesuatu unggal. Lapis tnya saja, teta

Oleh karena han beban m merupakan g arah serat ya a t berfungsi ga tidak terjad sawat dapat m atunya dapat ap yang tidak ayap tidak m wat. Dalam mengalami ga at maupun ga en pada airfoi permukaan a angan pada pe iliki hubunga gerak melalu n tegangan tekanan dan te mukaan airfoi ) dan mome as dapat d auh dari perm n free stream vektor dari g

terhadap ch rah kecepatan

rat dan pen n berupa re mbentuk komp pada HSFTB digunakan p akan salah ri thermoset ( ini cukup ban ena sifatnya y utan rendah ah atau diben

an mudah da sin yang mem atukan serat p diharapkan be tahan resin y ainkan serat. D ntuk laminat ( akan pelat y h yang digab g integral. P tersebut mam yang tidak d san tunggal ha api lemah da itu, lapisan y multiaksial ad gabungan lap ang berbeda p sebagai pen di gerakan roll menggagalkan disebabkan k tepat, sehin mampu mener kondisi terb aya aerodinam aya angkat. G il terdiri dari irfoil ermukaan airf an terhadap g ui fluida ad regangan p egangan regan il adalah resu en pada airf diartikan seb mukaan body m. Umumnya gaya yang bek hord. Sudut y n udara bebas nguat esin. posit B V2 pada satu (jika nyak yang saat ntuk alam miliki pada eban yang Dari (satu yang bung Pelat mpu dapat anya alam yang dalah pisan pada njaga ling. misi oleh ngga rima bang mika, Gaya dua, foil gaya dalah pada ngan ultan rfoil. bagai atau a, R kerja yang dan cho atta nor Ber ditu G Tek pen Ber mom Cl = Dim clim rok off terb men aero huk men istir kon eks aka pad kes pes efis dida pem men terb den sam [2] ord adalah su ack juga dibe rmal (N) atau rdasarkan geo uliskan rumus L = Nc D = N Gambar 2.1 G kanan dinamik nampang dapa q = ½ rikut merupa men yang dite = L / (q S) mana : L = gay S = sur v = kec Pada HS mb digunakan ket hingga me pada HSFTB bang (bantuan nyatakan ba odinamika ya kum newton nyatakan bahw rahat, dan seb nstan) akan t ternal. Apabil an mempertah da kondisi terb etimbangan g awat. Desain a siensi saat cru apatkan thrus milihan thrus ngatasi drag bang dengan ngan drag. Se ma dengan lift udut serang ( ntuk antara g gaya hambat ometri pada ga sebagai berik Ncosα - Asinα Nsinα + Acosα Gaya Aerodin k pada airfoil at dirumuskan ρ v2 (N/m2) akan koefisie erima airfoil. (lift coefficien ya angkat (N) rface area (m2 cepatan obyek SFTB V2, kon n engine bra encapai cruise V2 dipersingk n peluncur). ahwa terjad ang bekerja pa n yang pe wa sebuah be buah obyek y terus bergera la tidak ada g hankan kecep bang cruise m gaya aerodina aircraft umum uise, dengan e st matching. st engine y force yang n kecepatan eperti halnya

dan dapat dir

(α). Selain it gaya angkat ( t (D) dan gay ambar di baw kut: α namika pada l bekerja pada : en gaya da nt) 2 ) k (m/s) ndisi terbang acket booster e. Selain itu, kat tanpa adan

Kondisi ter i kesetimba ada pesawat. ertama tenta enda akan teta yang bergerak ak kecuali te aya eksternal patan konstan menyatakan b amika yang b mnya juga bert estimasi bahw Hal ini berka yang diguna timbul. Ket konstan, th nilai berat p rumuskan seb tu, angle of (L) dan gaya ya aksial (A). wah ini dapat

(2.1) (2.2) Airfoil [3] a luasan area (2.3) an koefisien (2.4)

take off dan r dan motor kondisi take nya landasan rbang cruise angan gaya Berdasarkan ang gerak, ap diam saat k (kecepatan erdapat gaya maka obyek n. Sehingga bahwa terjadi bekerja pada tujuan dalam wa T/W akan aitan dengan akan dalam tika pesawat hrust senilai esawat yang bagai berikut:

W

T

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Gambar Pad penampang lift yang terj dalam bentu per span sa span sayap persamaan b

( )

y L Dimana : L( Pada persam interval sebe Gam Sec deformasi eksternal. S respon dari deformasi d ini menunj compression

(

cruise

L

D

1

=

⎟

⎠

⎞

2.2 Gaya da pesawat horizontal be jadi di center uk elliptical d ayap dari fus p dapat dike berikut: [4]

)

1 πb 4L ₋ = (y) = Distribus L = Gaya lift y = jarak per b = panjang s maan tersebut esar 15,7 cm. bar 2.3 D cara struktura pada suatu Sedangkan ga gaya ekstern dari struktur (s ukkan strukt n, dan shear.

)

_cruise

D

a yang Beker t yang m erupa rectang of grafity dap distribution lif selage. Besarn etahui denga 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − b y

si gaya lift per tpada CG (N) span sayap da sayap (m)

diambil jarak

Distribusi Ga al, beban yan u struktur d

aya internal nal yang dite (strain). Pada tur yang me

(2.5)

rja Saat Cruis memiliki ben

gular chord, g pat didistribus

ft sepanjang j nya gaya lift an mengguna

(2.6) r span (N/m)

ari fuselage (m k per span den

aya Angkat ng mengakiba dinamakan g merupakan s rima (stress) gambar di ba engalami tens se ntuk gaya ikan arak per akan m) ngan atkan gaya uatu dan awah sion, G Kar mak berd luas ada Dim apa tota berl mul seb kek mat pad mod tari a. B b. D c. tela kom lam pem krit kon Gambar 2.4 rena materia kromekanik, m dasarkan perb s penampang, alah sebagai be mana : σ = teg F = g A = l ε = r Δl = l = p Suatu abila struktur al ketika men laku baik bag ltilayer. Berd elumnya yaitu kuatan mater

terial utuh seh da kekuatan la dus kegagalan k longitudinal Brittle failure dan menerus sekitarnya. S banyak sampa Debonding : geser sehingg komposit aka Brush-type : bersamaan de Kriteri ah dikembang mposit. Teori mina orthotrop mbebanan mu teria ini kega ndisi di bawah Pembeba Radial pada al komposit maka perhitun bandingan beb , sehingga pe erikut: σ = F / A ε = Δl / l angan (N/m2) gaya (N) luas penampa regangan perubahan pa panjang awal ( struktur kom tersebut tela ndapat suatu gi komposit d dasarkan batas u berdasarkan rial komposit hingga analisa apisannya. Te n pada kompo l, yaitu : : matriks mam skan beban t Sehingga ser ai timbul retak matriks tidak ga serat terle an rusak searah : Serat patah engan rusakny a kegagalan gkan oleh T tersebut meru pis yang men ultiaksial (m agalan akan t h ini: anan Arah No Silinder yang diana ngan kekuatan ban yang dite ersamaan yan A ) ang (m2) anjang (m) (m) mposit dikat ah mengalam beban terten dengan satu la san yang tela n sifat makros t dilihat seb a kekuatanny erdapat tiga k osit yang men mpu menahan tersebut kepa rat yang pat

kan k mampu men epas dari ma h serat h di sembar ya matriks. [5] pada materia Tsai-Hill unt upakan kriteri ngalami kega multiaxial stre terjadi apabila ormal dan alisa secara n tarik hanya erima dengan ng digunakan (2.7) (2.8) takan gagal mi kerusakan

ntu. Hal ini ayer maupun ah dijelaskan skopik, maka bagai suatu a didasarkan kemungkinan nerima beban n beban geser ada serat di tah semakin nahan beban atriks. Bahan rang tempat ] l anisotropis tuk material ia kegagalan galan akibat ess). Dalam a memenuhi

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

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 :

Gambar 3.1 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:

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.

M < 0,75

M = 0,75 MACH NUMBER = 0,75?

START

PENGAMBILAN DATA & STUDI LITERATUR

INPUT GEOMETRI HSFTB V2 (PROGRAM MISDAT)

ANALISA KOEFISIEN GAYA AERODINAMIKA PADA HSFTB V2

MENGHITUNG DISTRIBUSI GAYA ANGKAT PADA SAYAP

A

angle ply < 90o

angle ply = 90o PEMBUATAN MODEL SAYAP NACA

0009 (PROGRAM ANSYS)

FINISH

PERHITUNGAN SIFAT MEKANIK LAMINAT GABUNGAN DENGAN VARIASI ARAH SERAT 0o_{, 45}o _&

90o

ARAH SERAT = 90o_?

ANALISA TEGANGAN A

SIMULASI PEMBEBANAN PADA SAYAP HSFTB V2

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 0o Compression

:SLc=425MPa;STc=70MPa;SS=3836,41MPa

Tension : SLt=440MPa ; STt=70MPa ; SS=3836,41MPa Tabel 4.1 Analisa Kegagalan Angle Ply 0o

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  • Angle Ply 45o Compression:SLc=240MPa;STc=240MPa;SS=2019.61 MPa

Tension : SLt=240MPa ; STt=240MPa ; SS=2019.61 MPa Tabel 4.2 Analisa Kegagalan Angle Ply 45o

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

Tabel4.3 Analisa Kegagalan Angle Ply 90o

Mach  Number  Stress 11  (Mpa)  Shear  Stress 12  (Mpa)  Stress 22  (Mpa) 

Tsai‐Hill Work 

Theory  0.55  6952.4  2761.2  5219.2  5815.25366  0.6  8242.4  3273.5  6187.5  8173.195243  0.65  9722.3  3861.3  7298.5  11371.77916  0.7  11564  4592.9  8681.5  16089.73227  0.75  14006  5562.6  10514  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. 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

[1] Sudiana, Oka. “Laporan Uji Terbang HSFTB V2.” Laporan. Bidang Kendali Teknologi Dirgantara Lapan, 2011.

[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, 2009.

[3] Anderson, John D. “Fundamental of Aerodynamics.” McGraw-Hill, Inc., 1984.

[4] http://aerospace. eng.usm.my/rcp/index. php/ analysis/finite-element-analysis-fea

[5] Raymer, Daniel P. “Aircraft Design – A Conceptual Approach 2nd Edition.” California AIAA Education Series, 1992.

[6] Yuwono, Akhmad H. “Analisis Mekanik Komposit Laminat.” Departemen Metalurgi dan Material Universitas Indonesia, 2009.