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

mailto:samsuhiday@gmail.com

yang meng(reinforcemGabungan madalah matr

Bahan kadalah jenpembuatan matriks yandipanaskan digunakan ptahan terhacuring sehkembali, taproses fabrisifat adhesiflaminat danyang bekerjtidak berfunkedua kompataupun beb

Pelat beterdiri daribersama mberlapis dibmenahan bedicapai denmampu padarah tegak digunakan lapisan lamkomposit yasetiap lapisa 2.2 Gaya A

Say

stabilitas terGerakan rolterbang. Hapembuatan dalam operbeban pelustruktur saybaik berupaaerodinamikyaitu: - Distribusi - Distribusi Mekanisme pada airfoidistribusi permukaan. secara umugaya aerodKecepatan kecepatan abiasa disebmerupakan sejajar dan dibentuk an

gisolasi fasa ent) atau fmakroskopis iks dan pengu

komposit yangis epoxy ya

aircraft. Epng termasuk d

akan mengerpada bidang aadap kelembaingga tidak

ahan temperatikasi. Epoxy mf. Fungsinya

n antar laminarja pada strukngsi menahanponen tersebuberapa lapisanerlapis (lamin dua lapisan

membentuk sbuat agar eleeban multiaksgan lapisan tuda arah seratlurus serat. Ountuk menah

minate yang ang memiliki an. [2]

Aerodinamika

yap pesawatrbang, sehingglling pada pesal ini salah sstruktur saya

rasionalnya sauncuran pesayap pesawat ma gaya hambaka dan mome

tekanan pada tegangan regaalami memi

il yang bergtekanan dan Akibat dari t

um pada permdinamika (R)

udara bebaaliran yang jabut kecepatanpenjumlahan tegak lurus

ntara sumbu ar

berupa serfasa sebaranfasa-fasa pem

uat. g digunakan ang umum poxy merupadalam kategorras). Matriks airplane, kareaban, penyusu

dapat diubatur tinggi, da

merupakan resadalah menya

at. Sehingga dktur tidak ditn beban melaut maka terbenn komposit) nate) merupan atau lebihstruktur yangmen struktur sial, sesuatu unggal. Lapistnya saja, tetaOleh karena han beban mmerupakan garah serat ya

a

t berfungsi ga tidak terjadsawat dapat matunya dapat ap yang tidakayap tidak mwat. Dalam

mengalami gaat maupun gaen pada airfoi

permukaan aangan pada peiliki hubungagerak melalun tegangan tekanan dan temukaan airfoi) dan momeas dapat dauh dari permn free stream

vektor dari gterhadap ch

rah kecepatan

rat dan penn berupa rembentuk komp

pada HSFTBdigunakan p

akan salah ri thermoset (ini cukup banena sifatnya yutan rendah

ah atau dibenan mudah dasin yang mematukan serat pdiharapkan betahan resin y

ainkan serat. Dntuk laminat (

akan pelat yh yang digabg integral. P

tersebut mamyang tidak d

san tunggal haapi lemah daitu, lapisan y

multiaksial adgabungan lapang berbeda p

sebagai pendi gerakan roll

menggagalkan disebabkan

k tepat, sehinmampu mener

kondisi terbaya aerodinamaya angkat. Gil terdiri dari

irfoil ermukaan airfan terhadap gui fluida ad

regangan pegangan reganil adalah resuen pada airf

diartikan sebmukaan bodym. Umumnyagaya yang bekhord. Sudut yn 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

choattanorBerditu

G Tekpen

BermomCl =Dim

climrokoffterbmenaerohukmenistirkoneksakapadkespes

efisdidapemmenterbdensam[2]

ord adalah suack juga dibermal (N) atau rdasarkan geouliskan rumus

L = NcD = N

Gambar 2.1 G

kanan dinamiknampang dapa

q = rikut merupamen yang dite= L / (q S) mana : L = gay

S = sur v = kec Pada HS

mb digunakanket hingga me

pada HSFTB bang (bantuannyatakan baodinamika yakum newtonnyatakan bahwrahat, dan sebnstan) akan tternal. Apabil

an mempertahda kondisi terbetimbangan gawat.

Desain asiensi saat cruapatkan thrus

milihan thrusngatasi drag bang denganngan drag. Sema dengan lift

udut serang (ntuk antara ggaya hambat

ometri pada gasebagai berik

Ncos - Asin Nsin + Acos

Gaya Aerodin

k pada airfoilat dirumuskan v2 (N/m2)

akan koefisieerima airfoil. (lift coefficien

ya angkat (N) rface area (m2cepatan obyek

SFTB V2, konn engine braencapai cruiseV2 dipersingkn peluncur). ahwa terjadang bekerja pan yang pewa sebuah bebuah obyek yterus bergerala tidak ada ghankan kecepbang cruise mgaya aerodina

aircraft umumuise, dengan est matching. st engine y

force yang n kecepatan eperti halnya dan dapat dir

(). Selain itgaya angkat (t (D) dan gayambar di baw

kut:

namika pada

l bekerja pada:

en gaya da

nt)

2) k (m/s)

ndisi terbang acket boostere. Selain itu, kat tanpa adan

Kondisi teri kesetimbaada pesawat. ertama tentaenda akan tetayang bergerakak kecuali teaya eksternal patan konstanmenyatakan bamika yang b

mnya juga bertestimasi bahwHal ini berkayang diguna

timbul. Ketkonstan, thnilai 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:

WT

Gambar Pad

penampang lift yang terjdalam bentuper span saspan sayappersamaan b

( )yL

Dimana : L(

Pada persaminterval sebe

Gam

Secdeformasi eksternal. Srespon dari deformasi dini menunjcompression

(cruise DL1

=

2.2 Gaya

da pesawathorizontal be

jadi di center uk elliptical dayap dari fusp dapat dikeberikut: [4]

) 1b4L

=

(y) = DistribusL = Gaya lift y = jarak per b = panjang s

maan tersebut esar 15,7 cm.

bar 2.3 D

cara strukturapada suatu

Sedangkan gagaya ekstern

dari struktur (sukkan struktn, dan shear.

)cruiseD

a yang Beker

t yang merupa rectangof grafity dap

distribution lifselage. Besarnetahui denga

2

by

si gaya lift pert pada CG (N)span sayap da

sayap (m) diambil jarak

Distribusi Ga

al, beban yanu struktur daya internal nal yang dite(strain). Pada tur yang me

(2.5)

rja Saat Cruis

memiliki bengular chord, gpat didistribusft sepanjang jnya gaya lift an mengguna

(2.6)

r span (N/m) ari fuselage (m

k per span den

aya Angkat

ng mengakibadinamakan gmerupakan srima (stress)gambar di ba

engalami tens

se

ntuk gaya ikan arak per

akan

m)

ngan

atkan gaya uatu dan

awah sion,

G

Karmakberdluasada

Dim

apatotaberlmulsebkekmatpadmodtaria. B

b. D

c.

telakomlampemkritkon

Gambar 2.4

rena materiakromekanik, mdasarkan perbs penampang,

alah sebagai be

mana : = tegF = gA = l = rl = l = p

Suatu abila struktur al ketika menlaku baik bagltilayer. Berdelumnya yaitu

kuatan materterial utuh seh

da kekuatan ladus kegagalank longitudinal

Brittle failuredan menerussekitarnya. Sbanyak sampaDebonding : geser sehinggkomposit akaBrush-type :bersamaan de

Kriteriah dikembangmposit. Teori

mina orthotropmbebanan muteria ini kegandisi di bawah

PembebaRadial pada

al komposit maka perhitunbandingan beb, sehingga peerikut:

= F / A = l / l

angan (N/m2)gaya (N) luas penamparegangan perubahan pa

panjang awal (

struktur komtersebut tela

ndapat suatu gi komposit ddasarkan batasu berdasarkanrial komposithingga analisaapisannya. Ten pada kompol, yaitu : : matriks mam

skan beban tSehingga serai timbul retakmatriks tidakga serat terle

an rusak searah: Serat patahengan rusaknya kegagalan gkan oleh Ttersebut meru

pis yang menultiaksial (magalan akan th ini:

anan Arah NoSilinder

yang dianangan kekuatanban yang diteersamaan yan

A

)

ang (m2)

anjang (m) (m)

mposit dikatah mengalam

beban tertendengan satu lasan yang telan sifat makrost dilihat seba kekuatannyerdapat tiga kosit yang men

mpu menahantersebut keparat yang patkan

k mampu menepas dari mah serat h di sembar

ya matriks. [5]pada materia

Tsai-Hill untupakan kriteringalami kega

multiaxial streterjadi 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 11 dan 22. Jika 11 bersifat tegangan tarik maka nilai digunakan SLt yang juga bersifat tarik, sedangkan apabila 22 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, 45o &

90o

ARAH SERAT = 90o?

ANALISA TEGANGAN

A

SIMULASI PEMBEBANAN PADA SAYAP HSFTB V2

ARAH SERAT YANG PALING

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

NumberStress11(Mpa)

ShearStress12(Mpa)

Stress22(Mpa)

TsaiHillWorkTheory

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

NumberStress11(Mpa)

ShearStress12(Mpa)

Stress22(Mpa)

TsaiHillWorkTheory

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

NumberStress11(Mpa)

ShearStress12(Mpa)

Stress22(Mpa)

TsaiHillWorkTheory

0.55 6952.4 2761.2 5219.2 5815.253660.6 8242.4 3273.5 6187.5 8173.1952430.65 9722.3 3861.3 7298.5 11371.779160.7 11564 4592.9 8681.5 16089.732270.75 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.