Perpustakaan Digital ITB

Baling-baling pesawat LSU-03 (LAPAN Surveillance UAV-03) terbuat dari material kayu. Untuk meningkatkan kekuatan struktur dan memperoleh mekanika propertis yang lebih baik, maka baling-baling akan dirancang dengan menggunakan material komposit. Material komposit mempunyai massa struktur yang lebih ringan dibandingan dengan material lain yang merupakan kelebihan dari material ini. Kelebihan lainnya yaitu mempunyai kekakuan dan kekuatan spesifik yang dapat direkayasa dalam perancangan struktur. Geometri baling-baling yang digunakan oleh pesawat LSU-03, diperoleh dengan cara discan secara 3 dimensi (3-D scan) dan dikombinasikan dengan cara memotong langsung baling-baling yang asli menjadi beberapa bagian sehingga diperoleh segmen profil airfoil pada jarak yang ditentukan. Setelah hasil 3-D scan diperoleh, perlu diproses lebih lanjut agar dapat dibaca sebagai model CAD (Computer Aided Design) menggunakan perangkat lunak Solidworks. Begitu juga hasil potongan baling-baling asli, diperoleh profil airfoil dibeberapa segmen yang akan dijadikan referensi dalam pembuatan model CAD. Setelah hasil dari kedua proses tersebut diperoleh, maka hasil pengukuran geometri digabungkan untuk menghasilkan geometri yang mendekati dimensi asli. Beban maksimum yang dialami oleh baling-baling ini yaitu pada saat kondisi pesawat akan melakukan take-off dengan kecepatan 20 m/detik pada putaran 7000 rpm. Berdasarkan kondisi ini maka beban aerodinamika dan beban inersia dilakukan pada fase terbang ini. Perhitungan beban aerodinamika dilakukan dengan dua metode yaitu metode analitik dan metode numerik. Pada perhitungan analitik metode yang digunakan yaitu teori BET (Blade Element Theory) sedangkan pada perhitungan numerik menggunakan metode simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic) CFX menggunakan perangkat lunak Ansys. Pada simulasi CFD dilakukan 2 tipe simulasi yaitu pertama dilakukan pada meshing tanpa mode prisma sedangkan untuk yang kedua dilakukan pada meshing dengan mode bentuk prisma pada permukaan baling-balingnya. Hasil dari kedua metode tersebut memperlihatkan hasil yang cukup dekat, perbedaan nilai gaya dorong (thrust) hanya 1,2% dan 4,1% untuk kedua tipe mesh. Sehingga simulasi CFD distribusi beban aerodinamika sepanjang permukaan bilah baling-baling dianggap valid dan siap untuk dijadikan input dalam merancang struktur komposit. Hasil CFD beban aerodinamika tersebut dapat langsung diimport kedalam analisis struktur (Finite Element Methode/FEM) dengan mode Direct Import CDF/ One-Way Fluid Struture Interaction (FSI) dengan menggunakan perangkat lunak Ansys Workbench. Beban inersia juga dilakukan dengan dua metode. Tetapi untuk perhitungan analitik hanya dilakukan untuk material kayu white oak dan alumunium alloy saja. Sedangkan perhitungan numerik/FEM dilakukan untuk semua material yaitu kayu white oak, alumunium alloy dan komposit. Perhitungan analitik kekuatan struktur berupa tegangan normal dan geser juga dilakukan pada baling-baling dengan ketebalan 3 mm. Dalam perhitungan analitik ini dibantu menggunakan perangkat lunak Microsoft Exel. Desain struktur komposit baling-baling pesawat LSU-03 menggunakan jenis desain komposit laminate. Industri pesawat terbang banyak menggunakan komposit jenis ini. Dalam mendesain struktur komposit, berbeda dibandingkan dengan material logam karena komposit memiliki karakteristik yang berbeda. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kekuatan struktur (stress analysis) baling-baling dengan material komposit laminate karbon fiber dengan menentukan jenis material komposit, arah serat, tebal serat dan urutan penumpukan lapisan (stacking sequence) mengikuti panduan (guideline) yang bersumber dari referensi. Konfigurasi desain struktur komposit laminate karbon fiber baling-baling ini menerapkan bentuk simetri pada bagian atas airfoil dan bawah airfoil sehingga stacking sequence menjadi [±45/0/±45), untuk sudut ±45? menggunakan material komposit Epoxy Carbon Woven dengan ketebalan 0,2 mm sepanjang bilah dan sudut 0? menggunakan material komposit Epoxy Carbon UD yang mempunyai ketebalan yang berbeda disepanjang bilah sebagai berikut ketebalan 3 mm untuk poros, 2 mm untuk radius 100 mm, 1 mm untuk radius dari 100 mm – 160 mm dan 0,4 mm untuk radius 160 mm – 300 mm. Dalam perhitungan simulasi numerik (stress analysis) digunakan perangkat lunak Ansys Workbench. Hasil yang diperoleh berupa besarnya tegangan yang terjadi di sepanjang bilah baling-baling. Untuk material kayu dan alumunium dapat diketahui dengan menggunakan kriteria seperti Equivalent (Von-Mises) Stress dan Maximum Principal Stress sedangkan untuk material komposit dapat menggunakan kriteria Maximum Principal Stress dan kegagalan Tsai-Hill. Sebelum dilakukan simulasi numerik, terlebih dahulu dilakukan uji konvergensi untuk menentukan ukuran mesh yang konvergen sehingga menghasilkan satu nilai yang tetap. Uji konvergensi ini dilakukan sebanyak 15 kali simulasi dimulai dari yang kecil sampai yang besar jumlah nodes dan elementnya.