Analisis Statik Kekuatan Struktur Desain Vertical Wind Tunnel (VWT) Menggunakan Catia V5R21

(1)

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

https://e-journal.itp.ac.id/index.php/jtm e-ISSN: 2598-8263

Vol. 8, No. 2, October 2018 p-ISSN: 2089-4880

Published by Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LP2M) - ITP

Analisis Statik Kekuatan Struktur Desain Vertical Wind Tunnel (VWT) Menggunakan Catia V5R21

Static Analysis of Structural Structure of Vertical Wind Tunnel (VWT) Design By Catia V5R21

Muhamad Jalu Purnomo

Program Studi Aeronautika, Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Jl. Janti Blok R, Lanud Adi Sutjipto, Yogyakarta, Indonesia

doi.10.21063/jtm.2018.v8.i2.88-92

*Correspondence should be addressed to [email protected]

Article Information Abstract

Received:

November 16, 2018 Revised:

Desember 1, 2018 Accepted:

Desember 7, 2018 Published:

Desember 14, 2018

Vertical Wind Tunnel (VWT) is a wind tunnel application that is directed vertically upwards, so that the air impulse is applied as an alternative to people (athletes) feeling the sensation of flying, like parachuting when jumping at altitude out of an airplanea. VWT will certainly reduce the potential for accidents, improve the efficiency of skydiving, and improve the quality of skydiving athletes. To ensure the design of the VWT structure is safe, it is necessary to test the strength of the structure with load = 55212.16 Newton and load thrust = 46826.3516 Newton. VWT structure uses 2 types of steel material, namely the type of Steel A36 and Steel A441 because this type has the appropriate material property other than that it is very easy to get on the market. then simulated using CATIA V5R21 software. So that the obtained value of Steel A36 Margin of Safety (MS) is 2.79 (load) and 3.48 (load thrust).

For Steel A441, the MS value is 4.52 (load) and 5.51 (load thrust), from all the two materials producing an MS value> 1, indicating that the design of the VWT structure is said to be safe.

Keywords: Vertical Wind Tunnel (VWT), CATIA V5R21, Margin Of Safety

1. Pendahuluan

Penerapan konsep-konsep ilmu pengetahuan yang ada di dunia penerbangan kini telah megalami penerobosan yang sangat luar biasa dalam berbagai hal, salah satu contoh dalam hal penerapan ilmu aerodinamika, yaitu di bidang olah raga dirgantara berupa Terjun payung.

Dewasa ini muncul hal baru yaitu Vertical Wind Tunnel. Vertical Wind Tunnel merupakan aplikasi dari wind tunnel dimana udara yang dihasilkan tidak diarahkan ke depan melainkan diarahkan vertikal ke atas sehingga dapat memungkinkan mengangkat benda di atasnya, bahkan dengan berat jumlah beberapa manusia dapat terangkat ke atas, dengan begitu

seseorang akan dapat merasakan sensasi terbang tanpa harus melompat dari pesawat udara.

Kecepatan udara yang dihasilkan VWT dapat mencapai kecepatan 195 km/jam (120mph) [1]. Orang yang pertama kali terbang menggunakan Vertical Wind Tunnel adalah Jack Tiffany pada tahun 1964 di Wright- Patterson Air Force Base yang berlokasi di Greene dan Montgomery County, Ohio [8].

Pertama kali Vertical Wind Tunnel dikembangkan oleh perusahaan Canada bernama Aerodium di Quebec. Kemudian dikembangkan dan dipatenkan sebagai

“ Levitationarium” oleh Jean St Germain pada tahun 1979. Pada tahun 1982 St Germain

(2)

menjual konsepnya dan membantu membuat dua terowongan angin di Amerika [2]. Pertama terowongan angin vertikal digunakan untuk semata-mata untuk penggunaan komersil, perdana pada musim panas tahun 1982 di Las vegas, Nevada. Kemudian pada tahun yang sama, terowongan angin yang kedua diciptakan dan dibuka di Pigeon Forge, TN. Kedua fasilitas dibuka dan dioperasikan di bawah nama Flyaway Indoor Skydiving sampai tahun 2005 ketika manajer Flyway, Keith Fields membeli fasilitas Las Vegas kemudian menamainya Vegas Indoor Skydiving.

Vertical Wind Tunnel terdiri dari beberapa bagian yang tidak bisa dipisahkan antara satu dengan yang lainnya sehingga dapat menghasilkan tenaga yang cukup besar untuk mengangkat manusia, bagian itu antara lain seperti propeller, fan gate, engine, konstruksi kuat sebagai rangka utama (Gambar 1).

Material baja dipilih sebagai bahan konstruksi utama, Analisa static kekuatan konstruksi sangat perlu diketahui untuk memastikan desain tersebut kuat selama menerima beban dan

thrust. Desain ini memilih material baja ASTM A441 dan A36 karena kedua jenis material ini mempunyai tegangan maksimum yang besar yaitu antara 200-300 MPa [3] sangat cocok untuk material konstruksi dan mudah ditemukan di pasaran.

Gambar 1. Ilustrasi vertical wind tunnel [2]

2. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan diagram seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram alir penelitian

Modulus Elastisitas (E) dan Poisson Ratio (υ) Modulus elastisitas adalah angka yang digunakan untuk mengukur objek atau ketahanan bahan untuk mengalami deformasi elastis ketika gaya diterapkan pada benda itu.

Modulus elastisitas suatu benda didefinisikan sebagai kemiringan dari kurva tegangan- regangan di wilayah deformasi elastis [4].

Bahan kaku akan memiliki modulus elastisitas yang lebih tinggi.

Modulus Young’s atau modulus elastisitas (E) adalah konstanta yang menghubungkan antara tegangan dan regangan, yang dinyatakan dalam persamaan berikut [5]:

(1)

Di mana E adalah Modulus elastisitas (N/mm²), adalah Tegangan (N/mm²) dan adalah Regangan.

Stress atau tegangan merupakan suatu gaya persatuan luas dan dalam pendistribusiannya dapat beragam atau dalam bentuk pendistribusiannya yang lainnya tergantung pada kondisi pembebanan yang terjadi.

Regangan merupakan perubahan bentuk atau deformasi menyatakan perpindahan titik-titik relative satu sama lain sebagai panjang deformasi [6].

Ketika sebuah material mengalami suatu pembebanan aksial maka material tersebut akan mengalami deformasi dalam arah lateral maupun arah aksialnya. Ratio regangan (strain) dalam arah lateral dan aksial tersebut, disebut dengan Poisson ratio (µ). Di mana pada umumnya harga poisson ratio untuk aluminum alloys sekitar 0.33 dan untuk material yang lain metal yang lain sekitar 0.25-0.35 [5].

Margin of Safety

Metode ini dapat menentukan secara akurat kekuatan struktur dengan kondisi pembebanan.

(3)

Besaran load ratio merupakan dasar bagi perhitungan Margin of Safety untuk kekuatan static strukturalnya [7, 8]. Batas keamanan Margin of Safety dalam terminologi kekuatan struktural didefinisikan sebagai suatu ukuran besarnya kemampuan atau kapasitas yang masih tersedia dalam suatu struktur untuk menerima beban static secara aman, pada kondisi di mana terdapat beban static yang bekerja pada struktur tersebut. Persamaan umum Margin of safety (MS), adalah

(2)

Hasil MS bias berharga - ataupun +. Ini berarti menunjukkan tingkat keamanan kondisi struktur tersebut dalam menerima beban yang bekerja padanya. Jika Margin of Safety (MS) >

0 menunjukkan bahwa struktur dalam keadaan aman, sedangkan jika Margin of Safety < 0 maka struktur dalam keadaan tidak aman.

Bahan

Material baja unggul jika ditinjau dari segi kekuatan, kekakuan dan daktilitasnya. Jadi tidak mengherankan jika di setiap proyek- proyek konstruksi bangunan (jembatan atau gedung) maka baja selalu ada meskipun tentu saja volumenya tidak harus mendominasi.

Dalam Proses pemilihan material yang akan digunakan untuk bahan konstruksi rancangan Vertical Wind Tunnel yang akan didesain, terlebih dahulu kita harus mengetahui ciri-ciri atau kelebihan dan kekurangan dari material yang akan digunakan.

Karena di sini memilih baja maka penulis harus mengetahui terlebih dahulu jenis material baja apa yang cocok digunkan untuk konstruksi Vertical Wind Tunnel . beradasarkan buku dan referensi yang ada baja yang biasa digunakan untuk konstruksi adalah jenis baja karbon (yield strength) = 210 – 250 MPa [3].

Tabel 1. Properti material A441 dan A36 berdasar ASTM

Baja karbon memiliki titik peralihan leleh yang tegas, peningkatan kadar karbon akan meningkatkan kuat leleh tapi mengurangi daktilitas dan menyulitkan proses pengelasan Properti material baja ASTM A36 dan A441 dapat dilihat di Tabel 1.

Desain VWT

Desain VWT dimulai dengan menggambar 2D di software Catia V5R21 berdasarkan ukuran dan memasukkan properti material seperti standar pada ASTM [9, 10, 11].

Tampilan pada software terlihat seperti pada Gambar 3.

Selanjutnya desain 2D dirubah menjadi desain 3D seperti yang terlihat seperti yang terlihat pada Gambar 4. Total berat VWT dihasilkan dari beberapa bagian, antara lain total berat dari komponen Fane Gate sebesar 3183,365 kg, berat dari komponen silinder sebesar 987,851 kg, dan berat dari asumsi 15 orang bersamaan di atas VWT seberat 1350 kg.

Selanjutnya semua diklaikan dengan gaya gravitasi, sehingga total load (beban) sebesar 55212,16 Newton, dan total load thrust sebesar 466826,3516

Gambar 3. Properti material

Gambar 4. Desain VWT 3D Jenis

Baja

Tegangan Putus (MPa)

Tegangan Lelah (MPa)

Young Modulus (GPa)

Density ( g/cm3)

Poison ratio

Thermal Expansion ( Kdeg)

ASTM A441 485 345 200 7.85 0.26 1.17e+005

ASTM A36 400 – 500 250 200 7,85 0.26 1.17e+005

(4)

3. Hasil dan Pembahasan

Generative structure analysis merupakan workbench yang dipakai untuk menganalisis kekuatan model Vertical Wind Tunnel yang dibuat. Aktifkan workbench generative structure analysis dengan klik start analysis &

simulation generative structure analysis seperti yang terlihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Workbench generative structure analysis

Pilih static analysis untuk menganalisis model Vertical Wind Tunnel tersebut. Di mana static analysis digunakan untuk menganalisis static boundary condition seperti terlihat pada Gambar 6.

Gambar 6. New analysis case

Pada permukaan yang akan diuji strukturnya digunakan fungsi load. Untuk memilih jenis load, pilih load yang sesuai dengan beban yang akan diterapkan pada pengujian struktur Vertical Wind Tunnel dengan cara input seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Loads toolbar

Setelah langkah-langkah di atas selesai, langkah berikutnya adalah compute. Klik icon compute , akan muncul dialog box Gambar 8.

Gambar 8. Compute

Langkah selanjutnya adalah menampilkan von mises stress, dengan cara klik icon von mises stress pada toolbar image untuk menampilkan nilai maksimum dari von mises stress seperti pada Gambar 9.

Gambar 9. Von mises stres

Selanjutnya dengan klik icon image extrema pada toolbar analysis tools akan muncul extrema creation seperti yang diperlihatkan oleh Gambar 10.

Gambar 10. Extrame creation dialog box

Langkah terakhir adalah menampilkan generate report dengan cara klik icon generate report pada toolbar analysis result sehingga muncul report generation dialog box pada Gambar 11.

(5)

Gambar 11. Report generation dialog box

Dalam analisis menggunakan CATIA, nilai maksimum tegangan terlihat pada bagian yang berwarna merah. Dan nilai tegangan minimum terlihat pada bagian yang berwarna biru, semakin merah berarti semakin tinggi nilai

maksimumnya atau puncak tertinggi dan juga sebaliknya, semakin biru warna frame maka semakin rendah tegangan minimumnya.

Dengan hasil analisis tersebut kita dapat mengetahui apakah struktur Vertical Wind Tunnel tersebut mampu menahan beban orang pada saat menaiki struktur Vertical Wind Tunnel dan juga mampu menahan aliran thrust yang dihasilkan oleh putaran propeller dengan melihat nilai Margin Of Safety. Hasil Analisa dari Software Catia ini dapat dilihat pada Tabel 2. Harga MS pada masing masing material berdasarkan load nya dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 2. Hasil analisa dari software Catia

Material Jenis Load Tegangan maks Yield strength Displacement Gaya beban arah

ASTM A441 Load 6,25x10⁷ N/m² 345x10⁶ N/m² 0,62 Z-

Load Thrust 5,30x10⁷ N/m² 345x10⁶ N/m² 0,526 Z+

ASTM A36 Load 6,58x10⁷ N/m² 250x10⁷ N/m² 0,623 Z- Load Thrust 5,58x10⁷ N/m² 250x10⁶ N/m² 0,529 Z-

Tabel 3. Harga MS pada masing masing material berdasarkan Load Material Jenis Load MS

ASTM A441 Load 4,5 Thrust 5,51

ASTM A36 Load 2,79

Thrust 3,48

4. Simpulan

Jenis dan bentuk dari desain konstruksi Vertical Wind Tunnel Arching yang digunakan adalah jenis original dan bentuk kubus atau kotak di mana digunakan di outdoor (ruangan terbuka) yang bisa mengangkat sekitar maksimal 15 orang adalah aman.

Referensi

[1] Discovery News Blog Post about Indoor Skydiving

[2] Aerodium SE900 (Sigulda) Technical Specification

[3] ASTM Award of Merit Information [4] Askeland, R. Donald, Phulé and P.

Pradeep (2006). The science and engineering of materials (edisi ke-5th) [5] A. P. Boresi, R. J. Schmidt, and O. M.

Sidebottom, 1993, Advanced Mechanics of Materials, Wiley.

[6] ASTM E 111, "Standard Test Method for Young's Modulus, Tangent Modulus, and Chord Modulus,"

[7] W. Young, Roark's Formulas for Stress and Strain, 6th edition. McGraw-Hill, 1989.

[8] Collectspace.com

[9] Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto.

Modul Pelatihan Catia. 2013 [10] www.aerodium-technologies.com

[11] W. Kuntjoro, An Introduction To The Finit Element Method