PROPOSAL TUGAS AKHIR ANALISIS UJI JATUH BADAN PESAWAT R80 DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh: Adik Nofa Rochma Wahyu Ardianto D 200 11 0038
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015
HALAMAN PERSETUJUAN Tugas Akhir berjudul ”ANALISIS UJI JATUH BADAN PESAWAT R80 DENGAN METODE ELEMEN HINGGA”, telah disetujui Calon Pembimbing Utama untuk diusulkan sebagai Topik Tugas Akhir pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dipersiapkan oleh
:
Nama
: Adik Nofa Rochma Wahyu Ardianto
NIM
: D 200 11 0038
Disetujui pada Hari
:
Tanggal
:
Calon Pembimbing Utama
Agus Dwi Anggono, ST, M.Eng, Ph.D.
PERNYATAAN KEASLIAN TOPIK TUGAS AKHIR Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa usulan judul Tugas Akhir ”ANALISIS UJI JATUH BADAN PESAWAT R80 DENGAN METODE ELEMEN HINGGA” Yang saya ajukan kepada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari penelitian atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapat gelar sarjana di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya cantumkan sebagaimana mestinya.
Surakarta,
September 2015
Yang menyatakan,
Adik Nofa Rochma Wahyu Ardianto D 200 11 0038
A. LATAR BELAKANG Dalam dua puluh tahun terakhir, desain kelayakan kecelakan (crashworthiness) akan terus menjadi perhatian utama dalam keselamatan pernerbangan. Crashworthiness adalah hal yang paling utama dari struktur keselamatan dari pesawat sipil. Struktur badan pesawat memainkan peranan penting dalam menyerap energi kinetik saat kecelakaan. Uji struktur bagian badan pesawat penurunan skala penuh dengan metode langsung adalah yang paling mahal untuk mengevaluasi crashworthiness struktur badan pesawat. Pemahaman dan penjelasan tentang data uji memberikan dasar untuk meningkatkan kinerja crashworthiness dari komponen pesawat. Xiaochuan, L., dkk (2015), melakukan melakukan uji jatuh dari bagian badan pesawat sipil. Dalam penelitian tersebut deformasi dari struktur dan percepatan di ukur dan digunakan untuk memvalidasi metode pemodelan dan simulasi dampak dengan metode numerik. Selain itu penelitian simulasi crashworthiness bagian pesawat juga dilakukan Haoleia, M., dkk (2014). Dengan material komposit dan model elemen hingga badan pesawat dengan bagian elips ganda. Kedua penelitian, Xiaochuan dan Haoleia sama-sama melakukan penelitian simulasi uji jatuh dan kecelakaan badan pesawat. Mereka juga menganalisis fenomena deformasi badan pesawat, namun pendekatan penelitian yang dilakukan keduannya berbeda. Dari hal tersebut maka penulis tertarik untuk melakukan penelitian mengenai simulasi uji jatuh dan kecelakaan badan pesawat sipil mengacu pada riset Xiaochuan, L., dkk (2015) dengan menganalisis uji jatuh badan pesawat R80 dengan metode elemen secara komputasional dengan software abaqus 6.12-1.
B. PERUMUSAN MASALAH Mengacu pada latar belakang di atas maka, perumusan masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana menentukan fenomena deformasi dari jatuhnya pesawat. 2. Bagaimana ukuran meshing mempengaruhi hasil analisa. C. BATASAN MASALAH Agar pembahasan masalah tidak terlalu meluas, maka batasan masalah yang diambil adalah : 1. Komputasi yang dilakukan merujuk pada eksperimen yang dilakukan Xiaochuan, L., dkk (2015). Konfigurasi yang dijadikan rujukan adalah ekperimen konfigurasi standar bentuk pengujian dan variasinya. 2. Pada penelitian ini yang akan diuji adalah konfigurasi variasi meshing dari badan pesawat dan parameter yang digunakan. D. TUJUAN PENELITIAN Mengacu pada latar belakang dan perumusan masalah, maka tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Melakukan analisis permodelan CAD dan CAE berupa geometri, kecepatan, tinggi, tegangan dan regangan. 2. Membandingkan geometri dan hasil distribusi tegangan regangan dari penelitian yang dilakukan Xiaochuan dan hasilnya. 3. Memvisualisasikan dampak deformasi pada badan pesawat R80 dengan media komputasi. E. MANFAAT PENELITIAN Manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Diskripsi hasil penelitian diharapkan dapat memberikan gambaran 2.
dari fenomena deformasi dari jatuhnya badan pesawat. Dapat mengetahui metode rekayasa dalam bidang engineering dengan menggunakan media komputasi.
F. TINJAUAN PUSTAKA Xiaochuan, L., dkk (2015), melakukan penelitian mengenai kelayakan kecelakaan dari badan pesawat sipil. Dalam penelitian ini kriteria kegagalan keling menunjukan bahwa tegangan utama dan tegangan geser beban dipengaruhi oleh kecepatan loading. Dalam tes uji jatuh vertikal dari bagian badan pesawat sipil dilakukan dengan kecepatan aktual 6,85 m/s. Model elemen hingga dari struktur pesawat dikembangkan dan divalidasi oleh uji, dan kesalahan antara frekuensi dihitung dan dalam pengujian empat model tersebut kurang dari 5%. Ketegangan murni dan tes beban kegagalan geser dilakukan dengan nilai kecepatan yang berbeda, yang bertujuan untuk menentukan kriteria kegagalan keeling, juga melakukan uji jatuh dari bagian badan pesawat sipil dengan 7 frame, panjang 2,93 m, dilengkapi dengan kursi, tempat sampah overhead dan melakukan uji dummies dengan kecepatan dampak 7 m/s. Haoleia, M., dkk (2014), melakukan penelitian simulasi kelayakan kecelakaan bagian badan pesawat dengan material komposit dan model elemen bagian badan pesawat dengan bagian elips ganda terdiri dari kabin dan kargo. Bagian badan pesawat memiliki lima frame dan tiga baris kursi. Model elemen hingga keseluruhan terdiri dari 609.367 node dan 616.625 elemen shell dengan kecepatan 6,67 m/s. Komponen kunci dari model elemen hingga yaitu termasuk kulit komposit, frame, stringer, trek kursi, lantai kabin dan struts miring, lantai kargo. Metode elemen hingga digunakan untuk penelitian kinerja kelayakan kecelakaan badan pesawat dibagun pada hypermesh dan nonlinear elemen hingga kode LS-DYNA digunakan untuk secara dinamis mensimulasikan drop test dari bagian badan pesawat. Mode kegagalan dan tanggapan percepatan bagian badan pesawat diperoleh dan dianalisis. Hasilnya menunjukan bahwa kelayakan kecelakaan dapat secara efektif ditingkatkan dengan memilih lapisan komposit yang tepat dan sudut ply. G. TINJAUAN PUSTAKA
1. Uji jatuh (drop test) Uji jatuh merupakan metode pengujian karakteristik ekperimental dengan menaikan benda yang akan diuji dengan ketinggian tertentu dan kemudian melepaskannya. 2. Badan pesawat (fuselage) Badan pesawat adalah bagian badan utama sebuah pesawat dimana awak pesawat, penumpang atau kargo ditempatkan. Badan pesawat juga berfungsi untuk mengkontrol posisi dan permukaan penyetabilan dalam hubungannya untuk permukaan angkat, hal ini diperlukan untuk stabilitas dan manuver pesawat. 3. Metode elemen hingga Metode elemen hingga adalah metode numeris yang dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah-maslah dalam bidang rekayasa (engineering), seperti analisa tegangan pada struktur, perpidahan panas, elektromagnetis dan aliran fluida. Inti dari metode ini yaitu membagi suatu benda yang akan dianalisa, menjadi beberapa bagian dengan jumlah hingga (finite). Bagianbagian ini disebut elemen yang tiap elemen satu dengan lainnya dihubungkan dengan nodal (node). Kemudian dibangun persamaan matematika yang menjadi reprensentasi benda tersebut. Proses pembagian benda menjadi beberapa bagian disebut meshing. 4. Deformasi Deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi apabila bahan dikenai gaya. Selama proses deformasi berlangsung bahan menyerap energi sebagai akibat gaya yang bekerja. Sebesar apapun gaya yang bekerja pada bahan, bahan akan mengalami perubahan bentuk dan dimensi. Perubahan bentuk secara fisik pada benda dibagi menjadi dua, yaitu deformasi plastis dan deformasi elastis. Penambahan pada bahan yang telah mengalami kekuatan tertinggi tidak dapat dilakukan, karena pada kondisi ini bahan telah mengalami deformasi total. Jika beban total diberikan maka
regangan akan bertambah dimana material seakan menguat yang disebut dengan penguatan regangan (strain hardening) yang selanjutnya benda akan mengalami putus pada kekuatan patah (singe 1995). Hubungan tegangan regangan dapat dituliskan sebagi berikut :
P A ❑ L
❑
E= ❑ =
Sehingga deformasi (
=
) dapat diketahui :
Px L AxE
dimana : P = Beban A = Luas permukaan (mm2) L = Panjang awal (mm) E = Modulus elastisitas Pada awal pembebanan akan terjadi deformasi elastis sampai pada kondisi tertentu bahan akan mengalami deformasi plastis. Pada awal pembebanan bahan dibawah kekuatan luluh bahan akan kembali ke bentuk semula, hal ini dikarenakan sifat elastis bahan. Peningkatan beban melebihi kekuatan luluh (yield point) yang dimiliki plat akan mengakibatkan aliran deformasi plastis sehingga plat tidak akan kembali ke bentuk semula. Secara
skematik,
perbedaan
deformasi
elastis
dan
deformasi plastis yang ditunjukan dalam suatu diagram teganganregangan dapat dilihat pada gambar di bawah. 5. Tegangan dan regangan a. Tegangan Tegangan adalah besaran pengukuran intensitas gaya atau reaksi yang timbul persatuan luas. Tegangan menurut Marciniak
(2002),
dibedakan
menjadi
dua
yaitu
engineering stress dan true stress. Engineering stress dapat dirumuskan sebagai beikut : F eng = Ao dimana :
eng
= Engineering stress (MPa)
F
= Gaya (N)
A
= Luas penampang awal (mm2) Sedangkan
true
stress
adalah
tegangan
hasil
pengukuran intensitas gaya reaksi yang dibagi dengan luas permukaan sebenarnya. True stress dapat dihitung dengan :
=
F A
dimana : = True stress (MPa) F
= Gaya yang diberikan (N)
A = Luas penampang sebenarnya (mm2) Tegangan normal dianggap positif jika menimbulkan suatu
tarikan
(tensile)
dan
dianggap
negatif
jika
menimbulkan penekanan (compression)
b. Regangan Regangan didefinisikan sebagai perubahan panjang material dibagi panjang awal akibat gaya tarik ataupun gaya tekan pada material. Batasan sifat elastis perbandingan tegangan dan regangan akan linier dan berakhir sampai pada titik mulur. Hubungan tegangan dan regangan tidak lagi linier pada saat material mencapai pada batasan fase sifat plastis. Menurut Marciniak (2002), regangan dibedakan menjadi dua, yaitu engineering strain dan true strain.
Engineering strain adalah regangan yang dihitung menurut dimensi benda aslinya (panjang awal), sehingga untuk mengetahui besarnya regangan yang terjadi adalah dengan membagi perpanjangan dengan panjang semula, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : l −lo l eng = lo x 100% = lo x 100% dimana :
eng = Engineering strain l = Perubahan panjang (mm)
lo
= Panjang mula-mula (mm)
l = Panjang setelah diberi gaya (mm)
True strain adalah regangan yang dihitung secara bertahap (increment strain), dimana regangan dihitung pada kondisi dimensi benda saat itu (sebenarnya) dan bukan dihitung berdasarkan panjang awal dimensi benda. Maka persamaan regangan untuk true strain adalah : l
eng =
∫ dll lo
= ln
dimana :
= True strain
l lo
Speed : 0.3 – 5.0
H. METODOLOGI PENELITIAN 1. Diagram Alir Penelitian
Mengadopsi mesh A/B yang menghasilkan prediksi yang vali Speed : 0.3 Speed : 4.0
Hasil dan pembahasan
BC
Valiadasi data simulasi d
2. Geometri dan ekperimen terdahulu
Gambar 1. Badan pesawat terbang (fuselage) Gambar diatas merupakan satu konfigurasi yang diteliti Xiaochuan, L., dkk (2015). Dalam penelitian ini menggunakan model plastik elastis dari kriteria kegagalan keling menunjukan bahwa tegangan utama dan tegangan geser beban dipengaruhi oleh kecepatan loading. Dalam tes uji jatuh vertikal dari bagian badan pesawat sipil dilakukan dengan kecepatan aktual 6,85 m/s. Model elemen hingga dari struktur pesawat dikembangkan dan divalidasi oleh uji, dan kesalahan antara frekuensi dihitung dan dalam pengujian empat model tersebut kurang dari 5 %. Ketegangan murni dan
tes beban kegagalan geser dilakukan
dengan nilai kecepatan yang berbeda, yang bertujuan untuk menentukan kriteria kegagalan keling. 3. Langkah-langkah penggunaan metode komputasi Berikut spesifikasi komputer yang digunakan untuk analisa melalui program Abaqus 6.12-1 : - Processor
:
Intel (R) Core
(TM) i7 – 3630QM CPU @2.40Hz 2.40 GHz Memory (RAM) : 4,00 GB (3,45 GB usable) VGA : NVIDIA GeForce GT 650M Operating System : Windows 7 Ultimate 64-bit a. Pre-Processing -
Dalam tahap ini data dimasukan atau di input mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. 1. Domain komputasi Pada model yang dibuat ini, ukuran dari geometri badan pesawat terbang R80 (fuselage) dimasukan. Model di desain dengan menggunakan software solidwork 2012. Setelah selsai, simpan file dengan format (*.igs).
Gambar 2. Ukuran dari geometri badan pesawat terbang R80 (fuselage) 2. Kondisi batas (boundary condition) Dalam langkah ini model fuselage diberikan batasan dengan menggunakan software abaqus 6.12-1 agar penelitian dapat terukur sesuai dengan yang diinginkan. Kondisi batas yang dipakai pada daerah perhitungan dibagi atas frame, windows frame, skin dan Upper skin panel stringer. 3. Meshing Dalam tahap ini desain badan pesawat terbang (fuselage) di analisa dan dihitung dengan cara dibagibagi dengan jumlah grid tertentu.
G ambar 3. Contoh meshing pada badan pesawat menggunakan software abaqus 6.12-1 b. Processing / Solver Pada tahap ini, dilakukan proses perhitungan datadata yang sudah di input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya perhitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Perhitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap
volume
kontrol
dengan
proses
integrasi
persamaan diskrit. c. Post Processing Pada tahap ini, hasil perhitungan diinterprentasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan contour struktur keretakan dan kegagalan, kekuatan material.
I. JADWAL PENELITIAN KEGIATAN DAN WAKTU PELAKSANA AN 1. Study Literatur 2. Validasi Data 3. Pembuata n Proposal 4. Review Proposal 5. Tahap Penelitian Preprosessing Prosessing PostProsessing 6. Pembuata n Laporan 7. Pra-
BULAN 1 MINGGU KE1 2
3
4
BULAN 2 MINGGU KE1
2
3
BULAN 3 MINGGU KE4
1
2
3
BULAN 4 MINGGU KE4
1
2
3
BULAN 5 MINGGU KE4
1
2
3
BULAN 6 MINGGU KE4
1
2
3
4
Pendadara n Tugas Akhir 8. Seminar Tugas Akhir
DAFTAR PUSTAKA Ehab Ellobody, Ran Feng, Ben Young. 2014. Finite Element Analysis and Design of Metal Structures. USA : Butterworth-Heinemann. Haoleia, M., Tianchun, Z., Zhenyu, F., Jian, R., 2014, Crashworthiness Simulation Research of Fuselage Section with Composite Skin, Jurnal vol. 80 (2014), p. 59–65. Diakses 20 Agustus 2015 dari Sciencedirect. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705814011539
Sadd, M. H., 2009. Elasticity Theory, Applications, and Numerics. USA : Academic Press. Sforza, P. M., 2014. Commercial Airplane Design Principles. USA : ButterworthHeinemann. Xiaochuan, L., Jun, G., Chunyu, B., Xiasheng, S., Rangke, M., 2015, Drop test and crash simulation of a civil airplane fuselage section, Jurnal vol. 28 (April 2015), p. 447–456. Diakses 20 Agustus 2015 dari Sciencedirect. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936115000230