Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
ANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTUR
SISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG
Hary Soebagyo., Andi Muhdiar Kadir
lupT -LUK BPP Teknologi21JPT -LUK BPP Teknologi
ABSTRAK
ANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTUR SISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG. Pesawat terbang sipil daD militer untuk misi tertentu biasanya mempunyai pintu belakang (ramp door). Struktur sistem pengait dari pintu belakang pesawat terbang dalam operasinya banyak mengalami beban dinamis akibat dari berat pintunya sendiri daD muatannya. Disisi lain, struktur sistem pengait tersebut tidak boleh mengalami gagal fungsi akibat adanya kelelahan material saat beroperasi, dimana hat ini dapat mengancam keselamatan pengguna jasa penerbangan. Oleh karena itu uji kelelahan perlu dilakukan terhadap struktur tersebut untuk menjamin keandalannya. Makalah ir\i membahas metode daD analisis hasil pengujian kelelahan dari 3 jenis struktur sistem pengait pintu belakang pesawat terbang dengan material AI 2024 -T351. Hasil pengujian menunjukkan bahwa umur lelah yang tinggi terjadi pada struktur sistem pengait yang mempunyai desain hook structure dengan stiffenemya sesumbu dengan arah beban daD luas penampang efektipnya yang menerima beban tersebut.
ABSTRACT
FATIGUE ANALYSIS OF HOOK STRUCTURE OF AIRCRAFT RAMP DOOR. The civil and military aircraft's for particular purpose usually have a ramp door. The hook structure of aircraft ramp door undergoes many dynamic loads due to its weight and payload during in service. Beside that, the structure may not fail under material fatigue, which is going to be the safety thread for the passenger. Therefore, the fatigue test of this hook structure should be performed to insure its reliability. T his paper discusses the test method and analysis of three types of hook structure system made of AI 2024- T351. The test result shows that the maximum fatigue life occurred in the hook structure which stiffener coincide with respect to the load direction and the effective of hook cross section area.
PENDAHULUAN
Salah satu struktur pesawat terbang yang
didesain
den~ konsep
safe life adaIah struktur sistem
pengait pinto belakang (ramp door). Hal ini didasarkan
pada fungsi dan dimensi struktumya
dimana fungsinya
sangat penting untuk menahan berat pinto belakang,
sedangkan
struktumya relatip kecil (proses
penjalaran
retak solit dipantau dengan baik).
Dalam makalah ini akan dibahas masalah
metode daD analisis basil pengujian kelelahan daTi
struktur sistem pengait dari pinto belakang pesawat
terbang.
KELELABAN PABA MATERIAL KONSTRUKSI
Penerapan konsep kelelahan sangat erat
hubungannya dengan penerapan filosofi desain safe life yang cendenmg menitik beratkan pada jumlah siklus atau umur suatu struktur sampai awal terjadinya kerusakan, sedangkan penerapan konsep mekanika patah sangat berkaitan dengan penerapan filosofi desain fail safe atau damage tolerance. Walaupun dewasa ini aplikasi konsep damage tolerance banyak dipakai dalam mendesain struktur pesawat terbang, tetapi tidak pada semua struktur pesawat pesawat terbang dapat didesain dengan menggunakan konsep damage tolerance.
Bagian struktur pesawat terbang yang tidak didesain dengan konsep safe life atau tidak meng-ijinkan terjadinya retak selama umur pengoperasian pesawat terbang tersebut sehingga jika terjadi cacat retak lelah maka langsung diganti. Desain struktur tersebut tentunya menggunakan konsep kelelahan dimana didasarkan pada umur mulai terjadi retak sehingga umur desainnya dibuat sebelum retak awal terjadi.
Salah satu faktor penting daTi perencanaan
kekuatan mekanis struktur J>esawat
terbang adalah
faktor ketahanan lelah. Penerapan konsep kelelahan
bermanfaat dalam meramalkan umur pemakaian
sebelum struktur tersebut mengalami kerusakan
sehingga hat yang tidak diinginkan dapat dihindari.
Kelelahan yang terjadi pada material struktur
dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti tegangan utama
daD amplitudo tegangan yang bekerja, jenis
pem-bebanan, frekuensi, temperatur, kondisi lingkungan, proses pembuatan, perlakuan panas, proses pabrikasi, dimensi, kekasaran permukaan, bentuk serta tegangan dalam atau tegangan sisa. Disamping faktor-faktor tersebut diatas ketahanan lelah suatu material struktur juga sangat ditentukan oleh kondisi siklus yang direncanakan yaitu siklus rendah atau siklus tinggi.
Pemilihan jenis siklus ini didasarkan pada tingkat keandalan dari produk yang ingin dibuat dan hal ini akan mempengarohi terhadap faktor ekonomi seperti masalah pemilihan material, proses ataupun jaminan motu. Pembebanan dengan siklus tinggi dimaksudkan bahwa beban maksimum yang bekerja pada stmktur tidak akan pernah lwih tinggi dari kekuatan kelelahan struktur tersebut. Sedangkan pembebanan siklus rendah berarti tegangan yang bekerja pada struktur untuk jumlah siklus tertentu dapat lebih tinggi dari' kekuatan kelelahannya tetapi tanpa mempersingkat umur pemakaiannya. Untuk menerapkan siklus tinggi atau rendah maka diperlukan data bempa karakteristik kelelahan material. Hal ini dapat dipenuhi dengan membuat diagram S-N yang ditunjukkan secara skematik dalam gambar 1. Diagram S-N ialah diagram atau grafik yang menunjukkan hubungan antara tegangan dengan jumlah sikIus pembebanan. Diagram S-N ini dibuat dengan melakukan pengujian terhadap beberapa benda uji dengan tingkat pembebanan yang berlainan. Dari kurva ini dapat diperoleh distribusi kemungkinan untuk kekuatan lelah (A) dan distribusi kemungkinan untuk jumlah siklus/umur (B).
saja ~gkan pada material Aluminium tidak berlaku karena material aluminium tidak mempunyai kondisi distribusi A (umur tidak terbatas). Karena itu maka pada material aluminium hanya mempunyai kondisi distribusi B (umur terbatas).
PEN GUJIAN
Benda Uji
Benda Uji daIam pengujian ini lnempakan bentuk yang sarna dengan keadaan sebenarnya (cut-out) dilapangan. Benda Uji terdiri dari dua komponen yaitu port fitting dan hook structure. Benda Uji terdiri 3 buah bentuk yang berbeda. Material Benda Uji adaIah AI 2024 -T351 dengan spesifikasi sebagai berikut : ..cnIlt= 427Mpa.. ayield= 324 MPa
..E=73776Mpa ..8=6% ..G=27580MPa
Luas penampang kritis dari struktur gsrem pengait adalah: ~tiI hook structure = 196 mm2
~portfitting = 192 mm2 Metode Pengujian
Metode pengujian secara eksperimental di-lakukan terhadap Benda Uji dengan tujuan untuk mengetahui kemampuan Benda Uji terhadap beban dinamis. Peralatan uji yang digunakan antara lain mesin uji tarik servohidraulik kapasitas 63 kN beserta kontrol elektronik.
Uji kelelahan ini menggunakan beban uji am. plitudo konstan dengan Fmaks.= 17,65 kN atau O'~ = 89 MPa. Rasio, R = 0,05 dan frekwensi pengujian 10Hz.
'-- Log siklus (N) ~
Gambar Diagram S -N
Perencanaan yang menerapkan siklus tinggi maupun menggunakan distribusi A karena menyangkut kekuatan lelah daIam jumlah siklus yang ~. Distribusi ini sangat penting dipakai untuk perencanaan batas kelelahan (fatigue limit). Bila tegangan distribusi yang bekerja lebih kecil dari tegangan distribusi kekuatan maka struktur tersebut tidak akan mengaIami kemsakan. Sedangkan jika tegangan distribusi yang bekerja lebih besar dari tegangan distribusi kekuatan maka pada stroktur akan terjadi kemungkinan kerusakan. Istilah
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
Tabel 1. Hasil uji dinamis
Fmin (N) 880 Frek (Hz) 10 II) Siklus
~
13 No" B.U I Fmax (N) 1 2 17615 17615 17615 II I 8801-;;;-
79 3 III 10 60Karena benda uji yang digunakan adalah dari
bahan aluminium maka berdasarkan
gambar 1, kondisi
distribusi yang terjadi adalah kondisi B (umur terbatas)
Urutan pengujian adalah
sebagai
berikut :
.inspeksi awal terhadap
Benda Uji
.Optimasi
mesin
uji
.Pemasangan Benda Uji pada mesin uji
.Pelaksanaan pengujian
.Analisis
basil uji
Test set-up clan sistem pengujian ditunjukkan
seperti gambar 3, sedangkan
skets Benda Uji dan arab
pembebanan
dapat
ditunjukkan pada gambar
4.
dalam menjadi sangat
besar (Rumus Moment, M=F.L ,
L sangat besar)
dimana diketahui bahwa peningkatan
tegangan
kerja yang tinggi mengakibatkan
nilai faktor
konsentrasi
tegangan yang tinggi dan dapat
menye-babkan
ketahanan
lelah menjadi menurnn.
Dari gambar lokasi daD permukaan patahan
juga dapat diketahui bahwa arab patahan cenderung
tegak lurns dengan
arab broaD (tarik murni). Dari tabel
1 juga dapat diketahui bahwa Benda Uji no II dan III
mem-punyai umur lelah yang relatip tinggi yaitu 79
ribu siklus un~ Benda Uji II dan 60 ribu siklus untuk
Benda Uji III. Hal ini disebabkan
oleh posisi stiffener
hook structure dati krona Benda Uji ini cenderung
segaris alan satu sumbu dengan arab pembebanan
Gambar 4. Skets Benda Uji daD arab pembebanan
HASH. un DAN DISKUSI
Gambar 5 : Patahan hook str. B.U 1 Hasil pengujian terhadap ke 3 buah Benda Uji
dapat dilihat dalam tabel I. Ketiga Benda Uji mengaiami patah (failure) daD mempunyai basil yang berbeda walaupun dengan beban uji yang sarna. Dengan patahnya semua benda uji tersebut, terbukti bahwa kondisi distribusi yang terjadi adalah kondisi B (umur terbatas) karena bahan benda uji adalah aluminium. Perbedaan umur ini lebih dominan dipengaruhi oleh faktor desain.
Dari Tabel I terlihat bahwa Benda Uji I mem-punyai umur lelah yang lebih kecil dari yang lainnya. yaitu: 13.000 siklus. Hal ini disebabkan oleh pengaruh posisi stiffener hook structure yang cenderung arahnya menjauhi arab pembebanan, dimana hat ini meng-akibatkan defleksi total bertambah besar akibat jarak antara titik pembebanan dengan stiffener lebih besar sehingga tegangan yang diterima oleh penampang kritis hook .\'tructure tersebut terutama permukaan bagian
Gambar 6 : Profil patahan hook str. B.U 1
cendenmg segaris (M=F.L, dirnana L sangat kecil). Dari gambar lokasi daD permukaan patahan Benda Uji II (gambar 6 dan 7) terlihat bahwa akibat tegangan yang terjadi pada permukaan bagian dalam daTi Benda Uji II relatip kecil maka masih sempat mengalarni penjalaran retak sarnpai panjang terentu sebelurn mengalami patah statik.
Dari gambar lokasi dari permukaan patahan Benda Uji III (gambar 8 dan 9) terlihat bahwa akibat dimensi lebar dari hook structure sedikit lebih besar dari Benda Uji I maka arab patahan mengarab agak keatas. Dalam pengujian ini fracture toughness daD per-hitungan tegangan setempat tidak dibahas, sebab penjalaran retak (crack growth) dan tegangan kerja
Gambar 7 Patahan hook str B.U 2
Gambar 9. Patahan hook str. B.U 3
Gambar 8. Profit patahan hook str. B.O 2
Gambar 10 : Profil patahan hook str. B.U')
menggunakan
strain gages
tidak dipantau karena yang
diprioritaskan adalah ketahanan
lelahnya <fatigue life)
saja, dimana yang menjadi referensinya
adalah umur
lelah.
dimana detleksi total relatip kecil, sehingga tegangan yang bekelja pada penampang kritis menjadi relatip kecil karena terdis-tribusi ke c'itiffener hook .\'tructure. Ini mengindikasikan bahwa tegangan kerja daD faktor intensitas tegangan yang bekelja pada bagian dalam dari hook lebih kecil dari Benda Uji I sehingga mempunyai ketahanan lelah yang lebih tinggi.
Hal ini juga tampak pada lokasi patahan Benda Uji II daD III dirnana arnh patahan tidak lagi tegak lurns dengan arab beban seperti halnya pada pada Benda Uji I tetapi agak berpindah kearah bawah untuk Benda Uji II daD keatas untuk Benda Uji III sehingga luas permukaan patahan lebih besar.
Hal ini juga menunjukkan bahwa tegangan yang bekelja pada Benda Uji II dan III relatip lebih kecil dibandingkan dengan Benda Uji I dan sedikit mengalarni tegangan geser akibat jarak sumbu pembebanan yang
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
DAFfAR PUSTAKA
KESIMPULAN
Desain struktur pengait pintu belakang pesawat terbang dengan stiffener yang segaris atau satu sumbu dengan arab pembebanan memberikan ketahanan lelah yang tinggi. Karena itu maka penentuan arab stiffener pads hook structure daTi suatu struktur yang meng-alami beban dinamis sangat penting untuk diper-timbangkan.
UCAPAN TERIMA KASm
Ucapan terima-kasih penulis sampaikan kepada rekan-rekan dari UPT -LUK dan PT.IPTN atas bantuan daD kerjasamanya sehingga pengujian ini dapat berlangsung dengan baik.
[1). BHRUN,
E.F, "Analysis
and design
offlightvehicle
structures", S.R Jacobs
and Associates
Inc., USA,
1973
[2). DIETER DENGEL, "Die arc. sin""P
-Transfor-mation -ein einfaches Verfahren
zur geplanter
Wohlerversuche",
Journal of Materials
Technol-ogy 6 Jahrgang,
Aug. 1975
[3). DOBROVOLSKY, Vet.
at, "Machine
Ele-ments", Foreign Languages Publishing House,
Moscow
[4). HOWARD
E. BOYER. "Atlas of Fatigue Curves",
American Society for Metal, Metals Park, Ohio
44073
