PENGEMBANGAN MODEL DINAMIKA STRUKTUR SAT

(1)

PENGEMBANGAN MODEL DINAMIKA STRUKTUR

SATELIT MIKRO DI LAPAN

Robertus Heru Triharjanto, Farid Mohamad Husain, Peneliti pada Pusat Teknologi Elektronika Dirgantara, LAPAN

Abstrak

Pada saat peluncuran, satelit akan mengalami getaran yang diakibatkan sistem aerodinamik dan propulsi dari wahana peluncur (roket). Sehingga desain struktur sangat penting dilakukan untuk memastikan bahwa satelit tidak mengalami kerusakan dengan beban getaran tersebut. Untuk itu perlu dilakukan pemodelan dan pengujian dinamika struktur (getar) satelit, yang merupakan tujuan dari riset ini. Pemodelan dinamika struktur berfungsi untuk menjamin bahwa satelit tidak akan mengalami resonansi saat terbang dengan wahana peluncurnya, yakni dengan frekwensi resonansi diatas 45 Hz untuk moda lateral dan diatas 90 Hz untuk moda longitudinal, sedangkan uji getar berfungsi untuk memvalidasi hasil pemodelan tersebut. Hasil simulasi numerik atas model struktur Lapan-TUBsat menunjukkan natural frequency pertama 95,28 Hz dan kedua Hz pada moda lateral (sumbu x), dan 183,3 Hz pada moda vertikal (sumbu y/longitudinal). Sementara hasil uji getar (pengukuran resonansi) menunjukkan natural frequency pertama adalah 94 Hz pada moda lateral, dan yang kedua di 156 Hz pada moda vertikal. Perbedaan pada moda lateral diketahui diakibatkan oleh asumsi sambungan pada model numerik yang berbeda dengan pada model struktur Lapan-TUBsat, sehingga, dapat disampaikan bahwa pemodelan yang dilakukan mempunyai validitas yang baik. Hasil riset ini juga menunjukkan bahwa di Pusat Teknologi Elektronika Dirgantara telah terbangun kemampuan untuk mendesain struktur satelit sesuai persyaratan untuk bisa diluncurkan pada wahana pengorbit, yang merupakan bagian dari proses Assembly, Integration dan Test (AIT) satelit.

Kata kunci : satelit mikro, dinamika struktur

(2)

During its launch, satellite will experience vibration from the aerodynamic and propulsion system of the launch vehicle. Therefore, the satellite structure is to be designed to ensure that there will be no damage due to the vibration on the satellite. The purpose of the research is to develop structural dynamic numerical model, and validate the model using vibration test (resonance measurement). The model will ensure the structure is designed to meet the satellite launch requirement, i.e. resonance frequency in lateral mode is higher than 45 Hz and in longitudinal mode is higher than 90 Hz. The modeling result shows that the 1st resonance frequency of Lapan-TUBsat structure model is 95,28 Hz on lateral mode (X axis) and the second is 183,3 Hz on vertical (Y axis/longitudinal). Meanwhile, the vibration test show that the 1st resonance frequency is 94 Hz in lateral mode and the 2nd on 156 Hz in vertical mode. The difference in the lateral mode is caused by the difference in the assumption of joining system in the numerical model, compare to the one in Lapan-TUBsat structure model. Therefore, it can be concluded that the model has good validity. The research also show that the Center for Aerospace Electronics Technology has developed capability to design satellite structure per requirement of launch vehicle, which is part of Assembly, Integration and Test (AIT) process for satellite.

Keywords : microsatellite, structural dynamics

1 PENDAHULUAN

Getaran merupakan salah satu beban mekanik yang terjadi pada saat peluncuran satelit menggunakan roket. Karena itu, sebelum dilakukan peluncuran, satelit harus memenuhi persyaratan dinamika struktur untuk memastikan bahwa satelit dapat menahan getaran yang akan terjadi. Fungsi pemodelan dinamika struktur dan uji getar adalah memperkirakan dan mengukur karakteristik satelit terhadap beban dinamis getar.

Pada beban getar, terjadinya resonansi adalah hal yang tidak diinginkan karena struktur merespon beban dinamik secara tidak teredam (amplitudo getaran akan semakin membesar sehingga struktur akhirnya akan gagal/patah). Untuk itu perlu dicari natural frequency dari struktur tersebut. Dalam menghitung natural frequency dilakukan pemodelan matematis atas kekakuan struktur dan inersia. Sementara untuk mengukurnya dilakukan uji getar dengan teknik penyapuan (sweep). Teknik penyapuan adalah melakukan eksekusi terhadap selang frekuensi tertentu secara kontinyu dari frekuensi terendah hingga tertinggi. Besarnya frekuensi, akselerasi (amplitudo), dan kecepatan sapuan (oktaf/min) sebagai parameter uji disesuaikan dengan kebutuhan.

Saat iniPusat Teknologi Elektronika Dirgantara (Pustek Elegan) berada pada fasa kedua proram pengembangan satelit mikronya. Pada tahap ini satelit mikro yang akan diluncurkan (LAPAN-A2 & LAPAN-A3) di integrasikan dan di uji di Indonesia. Sehingga perlu dibangun kemampuan SDM dan fasilitas untuk proses tersebut.1) 2)

(3)

Gambar 1.1. Konfigurasi Lapan-TUBsat di PSLV C7

Model tersebut juga akan digunakan sebagai input bagi pemodelan dinamika struktur roket secara keseluruhan

2

ANALISIS NATURAL FREQUENCY DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

2.1 Dasar Teori

Frekuensi pribadi (natural frequency) adalah karakteristik benda padat yang memiliki massa/inersia dan kekakuan. Bila benda tersebut digetarkan dengan gaya dinamis harmonis yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi pribadi benda tersebut, maka amplitudo getaran yang terjadi pada benda akan semakin besar (tidak teredam), sehingga akan mengakibatkan kegagalan struktur.

Untuk kasus dinamika struktur, maka persamaan matematis yang digunakan adalah Modal analisis (Eigenvalue problems). Dari model matematis ini akan diperolah nilai frekuensi pribadi dan modus getaran dari solid.

Modal analisis akan menghitung frekuensi pribadi dan bentuk respon struktur setiap moda,. Sehingga bisa memberikan arahan bagaimana modifikasi harus dilakukan, jika frekuensi pribadi yang ada harus dirubah.

Sesuai dengan hukum Hooke, Gaya yang berlaku pada benda yang meregang sebanding dengan panjang peregangan x dan kekakuannya. Kombinasi dengan hukum Newton yang menyatakan gaya yang ditimbulkan sebanding dengan percepatan massa, akan mendapatkan persamaan diferensial sistem dinamika untuk getaran pada benda tanpa komponen peredam dan tanpa gaya luar 8)_:

m

x



+ kx = 0  –m

x



= kx ...(2-1) Masalah eigenvalue didefinisikan untuk menjadi satu cara bagaimana kita mencari nilai dari parameter λ dari persamaan

(4)

eigenvectors atau eigenfunction. Implementasi konsep tersebut pada persamaan getaran bebas menjadi :

...(2-3)

di mana , atau dalam teori getaran λ = ω2, atau merupakan kuadrat dari frekuensi getaran, ω.8)

Konsep dasar yang melandasi Finite Element Method (FEM) adalah prinsip diskritisasi. Diskritisasi adalah upaya untuk membagi sistem dari problem yang akan diselesaikan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (disebut sebagai elemen hingga) agar hukum matematis yang dipergunakan dapat dipermudah. Diskritisasi ini muncul karena adanya kesulitan untuk memecahkan sistem secara keseluruhan (kontinyu).

Dalam konteks kasus ini, metode akan memecahkan persamaan partial differensial (3) yang merupakan model matemats benda kontinum. Dalah hal ini masalah persamaan partial differential tersebut disederhanakan menjadi aljabar linier (berbasis matriks). Meski berupa pendekatan, metode ini dikenal handal dalam memecahkan masalah mekanika benda padat dan perpindahan panas pada geometri yang komplek.

Langkah yang dilakukan dalam software FEM adalah mendiskritisasi geometri benda menjadi elemen-elemen. Kemudian didefinisikan sifat-sifat material, yang merupakan konstanta dari persamaan matematis dan diberikan kondisi batas (boundary condition).

Pemilihan elemen didasarkan oleh kondisi kasus, dalam hal ini dipilih elemen solid (3 dimensi), dimana nodalnya akan memiliki 6 derajat kebebasan (DOF – degree of freedom).

2.2 Proses Pemodelan

Perangkat lunak yang digunakan dalam pemodelan ini adalah NASTRAN V4.5. Proses pemodelan diawali dengan pembuatan geometri model yang mengacu pada dimensi satelit model Lapan-TUBsat, yaitu panjang (X) × tinggi (Y) × lebar (Z) = 45 × 27,3 × 45 cm, yang terdiri dari 7 buah pelat, 6 pada sisi dan 1 ditengah. Pada sisi +Z terdapat 2 buah cut-out, dan sisi +Y terdapat 1 cut-out. Untuk menyederhanakan masalah, pada pemodelan solid, seluruh pelat diasumsikan terhubung secara kontinyu.

Material yang digunakan pada model yaitu high strength aluminium dengan

Youngs Modulus (E) = 6,96 GPa; Shear Modulus (G) = 2,69 GPa; Poisson’s Ratio (nu) = 0,33; berat jenis : 2768,5 kg/m3_{. Jenis elemen yang digunakan adalah tetrahedral dengan}

jumlah 12930.

(5)

X

Y Z V1 C1

Gambar 2.1 Tampilan geometri model satelit Lapan-TUBsat menggunakan perangkat lunak Nastran

2.3 Hasil Simulasi Numerik

(6)

Gambar 2.2 Moda getar model satelit Lapan-TUBsat pada frekuensi 95.28 Hz.

3

PENGUKURAN NATURAL FREQUENCY DENGAN UJI GETAR

Uji getar pada model satelit LAPAN-TUBSAT untuk mengukur frekuensi natural sehingga dapat memvalidasi model numerik yang dibuat. Uji ini dilakukan di laboratorium uji getar Sentra Teknologi Polimer, BPPT. Perangkat uji yang ada memiliki 8 kanal sensor akselerometer dan electromechanical shaker yang mempunyai sistem pemegang untuk uji ke arah horisontal dan dan lateral.

3.1 Uji Getar Lateral

(7)

Gambar 3.1 Penempatan akselerometer pada modelLapan-TUBsatsaat uji getarlateral.

Pengujian getarlateral ini dilakukan pada parameter : frekuensi = 10-500 Hz; akselerasi = 2 G; laju sapuan = 2 oktaf/min. Data dari ke 7 sensor (masing-masing mempunyai warna berbeda) adalah sebagai berikut.

500

Gambar 3.2 Hasil uji getarlateral pada model Lapan-TUBsat

Dari pengujian moda lateral didapatkan hasil bahwa natural frequency pertama pada pengujian ini terjadi pada frekuensi 95 Hz dan natural frequency kedua terjadi pada frekuensi 370 Hz.

3.2 Uji Getar Vertikal

(8)

Gambar 3.6 Penempatan akselerometer pada model Lapan-TUBsat saat uji

tes t 1.5G 10-500Hz 4 oct/m in uji s atelit vertikal

ARF, daw

Grafik 3.4 Hasil uji getar vertikal pada model Lapan-TUBsat

Dari pengujian didapatkan hasil bahwa natural frequency pertama pada moda ini terjadi pada frekuensi 156 Hz dan yang kedua pada frekuensi 200 Hz.

4 ANALISA

Perbandingan antara hasil pengujian dengan simulasi numerik adalah sebagai berikut :

frekuensi natural simulasi (Hz) uji (Hz) beda (%)

1st lateral 95,28 94 1

1st vertical 186,3 156 19

2nd lateral 391,3 370 6

(9)

asumsi sambungan pelat pada simulasi numerik yang berbeda dengan kondisi pada model Lapan-TUBsat. Pada simulasi dianggap sebagai material kontinyu (koneksi pada semua nodal), sedangkan pada kenyataannya di model berupa pelat yang disambung dengan baut. Asumsi kontinyu akan membuat kondisi kekakuan model ke arah vertikal menjadi lebih tinggi sehingga frekuensi natural akan juga lebih tinggi. Pemodelan dengan moda ini dilakukan untuk memudahkan simulasi karena elemen khusus yang mensimulasikan sambungan baut tidak tersedia pada software standar.

5 KESIMPULAN

Dari pengamatan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:

1. Pada simulasi numerik menggunakan Nastran v4.5 terjadi natural frequency

pada moda lateral di frekuensi 95,28 Hz dan 391,3 Hz. Sementara pada simulasi numerik moda vertikal terjadi natural frequency pada 183,3 Hz. Pada uji getar arah lateral (arah sumbu x) satelit terjadi natural frequency pada frekuensi 94 Hz dan 370 Hz. Sementara pada pengujian getar vertikal (arah sumbu y) satelit terjadi pada frekuensi 156 Hz.

2. Perbedaan frekuensi natural moda lateral sangat kecil (1 & 6 %), namun pada moda vertikal cukup besar (19%). Hal ini diperkirakan karena asumsi Satellite Technology Development; Lapan-TUBsat : From Conception to Early Operation; Penerbit LAPAN; 2007

[2] Salatun, A. S.; Konsep Rekayasa Satelit Equatorial Mitigasi Bencana; Satelit Mikro untuk Mitigasi Bencana dan Ketahanan Pangan; IPB Press; 2010 [3] R. H. Triharjanto, W. Hasbi, 2007, Chapter 10. Mechanical & Electrical

Interface of Lapan-TUBsat ; Lapan-TUBsat: First Indonesian Micro Satellite; Penerbit LAPAN; 2007

[4] S. Ramakrishnan, 1999, Polar Satellite Launch Vehicle Auxiliary Satellite User’s Manual, Indian Space Research Organisation, Department of Space, Government of India.

[5] MSC/NASTRAN for Windows Analysis Examples Manual, 1998, The MacNeal-Schwendler Corporation.

[6] Sugiharmadji HPS; “Dynamic Characteristics Analysis Of Lapan-Tubsat Micro-Satellite Structures”; PUSTEKWAGAN TECHNICAL DOCUMENT NO. TR – 3351003;

(10)

[8] J. N. Reddy, An Introduction to he Finite Element Method, 2nd Ed., McGraw-Hill, 1993

[9] E. Barkanov, Introduction to the Finite Element Method, Institute of Materials and Structures, Riga Technical University, 2001