ANALISIS BEBAN TEKUK KRITIS STRUKTUR SANDWICH BAHAN KOMPOSIT PADA SIRIP ROKET RX LAPAN Ronald Gunawan Putra Pcncliti Bidang Struktur Mekanika Pustekwagan. LAPAN ABSTRACT The using of sandwich structure on the tail of RX LAPAN Rocket offers several advantages compared to conventional structure, such as lightweight, high stiffness and good fatigue property. But, one of the problems is its weakness under compressive loads, especially when there is a delaminated area. Buckling modes that often occur in sandwich structure due to compressive loads is overall buckling. This paper will analyze the influence of delamination over critical buckling load with finite element method using 2-D modeling. ABSTRAK Penggunaan struktur sandwich bahan komposit pada ship roket RX LAPAN menawarkan keunggulan dibandingkan dengan struktur konvensional seperti beratnya yang ringan, memiliki kekakuan yang tinggi dan sifat lelah (fatigue) yang baik. Namun permasalahannya adalah struktur sandwich sangat rentan terhadap beban kompresi, terutama bila terdapat daerah yang terdelaminasi. Modus ketidakstabilan struktur yang sering terjadi pada struktur sandwich akibat beban kompresi adalah tekuk {overall budding). Paper ini akan meneliti penurunan kekuatan struktur sandwich, dalam hal ini harga beban tekuk kritis akibat adanya delaminasi dengan menggunakan metode elemen hingga. Pemodelan yang dilakukan adalah pemodelan kolom sandwich dua dimensi. 1 PENDAHULUAN Struktur sandwich pada bahan komposit telah banyak digunakan dalam dunia kedirgantaraan selama hampir 40 tahun terakhir. Struktur sandwich ini memiliki keunggulan dibandingkan dengan struktur konvensional lainnya seperti beratnya yang ringan, kekakuan yang tinggi serta sifat lelah yang baik Struktur sandwich terdiri dari dua bagian yaitu lapisan kulit muka [face) dan lapisan inti (core) seperti terlihat pada Gambar 1-1. Lapisan face dibuat dari material yang memiliki kekuatan dan kekakuan bahan yang tinggi. Sedangkan lapisan core dibuat dari material yang memiliki kekuatan, kekakuan dan kerapatan bahan yang rendah. Kombinasi dari keduanya akan memberikan rasio kekuatan dan kekakuan terhadap berat yang sangat efisien, yang merupakan
persyaratan utama struktur ringan seperti yang digunakan pada dunia kedirgantaraan. Satu hal yang menjadi masalah utama adalah struktur sandwich sangat rentan terhadap beban kompresi yang akan mengakibatkan modus ketidakstabilan struktur berupa modus buckling. Parameter yang digunakan untuk mengukur kekuatan struktur terhadap beban tekuk adalah beban tekuk kritis, yaitu besarnya beban yang dapat ditahan struktur sebelum mengalami kegagalan. Harga beban tekuk kritis dari modus ini bervariasi tergantung dari geometri dan kekakuan lapisan face dan core. Dengan adanya delaminasi, maka harga beban tekuk kritis yang terjadi juga akan semakin kecil. Delaminasi adalah cacat akibat tidak menempelnya lapisan face dengan core maupun lapisan core dengan core (crack). Gambar 1-3 menunjukkan
90
a d a n y a delaminasi yang terjadi p a d a s t r u k t u r sandwich. Delaminasi terjadi k a r e n a b e b a n i m p a k yang terjadi maupun ketidaksempurnaan pembuatan s t r u k t u r sandwich. Tulisan ini a k a n m e m b a h a s pen g a r u h delaminasi terhadap p e n u r u n a n harga b e b a n tekuk kritis serta memb a n d i n g k a n h a r g a beban tekuk kritis t a n p a delaminasi dengan analisis teoritik.
Gambar 1-4: Modus overall buckling Dibandingkan s t r u k t u r konvensional, s t r u k t u r sandwich memiliki beberapa keunggulan diantaranya adalah: • Dapat mengurangi berat komponen sampai 30 %. • Ketahanan deformasi lokal yang tinggi sehingga meningkatkan efisiensi aerodinamika. • Memiliki sifat lelah (fatigue) yang baik. • Isolator p a n a s d a n a k u s t i k yang baik. • Rasio k e k u a t a n d a n k e k a k u a n terh a d a p berat yang efisien. Namun demikian struktur sandwich j u g a memiliki kekurangan dibandingkan dengan struktur konvensional, diantaranya adalah:
G a m b a r l-2:Sirip dengan sandwich
komposit
• Quality control lebih sulit dilakukan. • S a m b u n g a n d a n cut out lebih sulit didesain dari p a d a s t r u k t u r pelat tipis. Paper ini, a k a n meneliti p e n g a r u h delaminasi terhadap p e n u r u n a n h a r g a beban tekuk kritis kolom sandwich komposit. Karena sifatnya yang simetri, m a k a kolom sandwich d a p a t dimodelkan menjadi pemodelan setengah kolom d u a dimensi. Perhitungan h a r g a beban t e k u k kritis dengan metode elemen hingga b e r h u b u n g a n dengan h a r g a eigenvalue X dimana analisis yang dilakukan telah disederhanakan menjadi
Gambar 1-3: Delaminasi p a d a sandwich
struktur
Seperti halnya s t r u k t u r konvensional, s t r u k t u r sandwich j u g a dapat mengalami fenomena t e k u k yang b e r u p a m o d u s overall buckling, bila diberi beban kompresi. Modus ini memiliki panjang setengah gelombang sebesar panjang elemen, seperti terlihat p a d a Gambar 1-4 di bawah i n i : 91
Keterangan: [K] = matriks k e k a k u a n elastis [Kg] = matriks k e k a k u a n geometri A = eigenvalue Harga eigenvalue terendah menunj u k k a n harga beban tekuk kritis yang terjadi. Dalam penelitian ini, h a r g a beban tekuk kritis adalah
2 METODE PENELITIAN Metode penelitian yang dilakukan adalah dengan m e n g g u n a k a n analisis metode elemen hingga dengan b a n t u a n software NASTRAN d a n memodelkan struktur sandwich sebagai kolom. Kolom sandwich y a n g a k a n dianalisis terdiri dari lapisan face yang terbuat dari material komposit CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) dengan lay-up (± 45°/0 c ) 2 i d a n lapisan core yang terbuat dari Polyurethane. Dimensi d a n d a t a - d a t a material struktur sandwich d a p a t dilihat p a d a Tabel 2-1 d a n G a m b a r 2-2. Panjang delaminasi yang a k a n diteliti adalah dari 0 % sampai dengan 100 % panjang kolom. Letak delaminasi p a d a kolom adalah a n t a r a lapisan face d a n core serta p a d a garis tengah lapisan core. Penentuan tebal lapisan core didasarkan pada p e n e n t u a n m o d u s buckling yang terjadi. Semakin tebal lapisan core tidak meningkatkan harga beban tekuk kritis secara drastis, melainkan akan merubah modus buckling yang a k a n terjadi. Karena model yang a k a n digunakan adalah model setengah kolom, raaka pemodelan yang dilakukan adalah pemodelan setengah kolom dengan kondisi t u m p u a n simply supported yang telah disesuaikan dengan kondisi pembebanan. 2.1 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga adalah salah satu metode dalam menganalisis struktur. Metode ini memprediksi defleksi d a n tegangan p a d a s u a t u s t r u k t u r . Metode elemen hingga menyelesaikan masalah kontinum, d i m a n a didiskritisasi menjadi sejumlah elemen-elemen kecil, yang dinamakan elemen hingga. Tiap-tiap elemen d i h u b u n g k a n dengan titik-titik ampul (nodal) dan membentuk rangkaian dan secara keseluruhan m e r u p a k a n model dari kontinum semula. Di setiap titik simpul bekerja gaya-gaya simpul (gaya nodal) d a n titik simpul tersebut
j u g a akan mengalami perpindahan (displacement) dalam s u a t u nilai derajat kebebasan (degree of freedom). Sebuah elemen dari suatu struktur a k a n memiliki s u a t u b e n t u k p e r s a m a a n simultan tertentu yang t e r b e n t u k berd a s a r k a n nilai-nilai variabel fisik yang terdapat dalam nodal tersebut. Penyusunan elemen-elemen tersebut secara kes e l u r u h a n akan m e m b e n t u k s u a t u pers a m a a n simultan yang bersifat global d a n dapat diselesaikan secara n u m e r i k oleh komputer. Dengan mensubstitusikan kondisi p e m b e b a n a n d a n kondisi b a t a s dari struktur yang dianalisis, p e r s a m a a n simultan global tersebut dapat diselesaikan sehingga harga tegangan a t a u regangan dapat ditentukan. Dengan mensubstitusikan kembali harga-harga tersebut ke persamaan awal, akan didapatkan distribusi tegangan d a n perpindahan p a d a setiap elemen. Langkah-langkah penyelesaian metode elemen hingga sebagai b e r i k u t : • Diskritasi kontinum (membagi struktur menjadi beberapa bagian elemen). • Mendefinisikan matriks kekakuan lokal. • Menggabungkan matriks kekakuan lokal menjadi matriks k e k a k u a n global. • Mendefinisikan beban d a n kondisi batas. • Penyelesaian persamaan. • Menghitung tegangan d a n regangan. Dalam aplikasinya di perangkat lunak, program metode elemen hingga membagi struktur menjadi grid-grid elemen yang membentuk struktur nyatanya. Masing-masing elemen mempunyai bentuk yang sederhana sehingga program elemen hingga mempunyai informasi u n t u k m e n e n t u k a n p e r s a m a a n dalam bentuk matriks kekakuan. Secara garis besar, langkahlangkah u n t u k menentukan nilai tegangan dengan menggunakan metode elemen hingga u n t u k elemen segiempat delapan derajat kebebasan seperti p a d a Gambar 2-1.
92
p e n e n t u a n sifat-sifat fisik d a n material, p e n e n t u a n kondisi b a t a s , p e n e n t u a n b e b a n s e r t a p e m e r i k s a a n model. b.
Analysis Meliputi jenis a n a l i s i s y a n g a k a n dilakukan t e r h a d a p model y a n g telah dibuat, dalam t u g a s a k h i r ini a d a l a h analisis buckling.
c.
Post-Processing Meliputi hasil analisis seperti tegangan, regangan m a u p u n b e b a n p a d a model, penyajian hasil analisis. D a l a m t u g a s a k h i r ini, hasil y a n g diperoleh a d a l a h nilai eigenvalue y a n g a k a n dikonversikan kedalam h a r g a beban kritik.
2.2
P e m o d e l a n K o l o m Sandwich
P a d a t u g a s a k h i r ini, model kolom sandwich d e n g a n face CFRP y a n g dig u n a k a n a d a l a h model kolom 2 dimensi d e n g a n dimensi model sebagai b e r i k u t : Tabel 2 - 1 : DIMENSI KOLOM SANDWICH Dimensi Panjang kolom (a) Lebar kolom (b) Tebal Face Tebal Core (h)
Model Overall Buckling 200 m m 50 m m 1.2 m m 45 mm
Tabel 2-2: DATA MATERIAL FACE DAN CORE F a c e CFRP ±45/Ob. Ei = 148750 Mpa E 2 = 3720 Mpa G12 = I 8 6 0 Mpa V12 = 0.25 l piy = 0.1 m m
LAPISAN
Core Polyurethane E = 7.896 Mpa G = 3.037 Mpa v = 0.3
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
S e c a r a u m u m analisis elemen hingga p a d a perangkat l u n a k m e m p u n y a i tiga t a h a p , yaitu : a.
93
Pre-Processing Meliputi p e m b u a t a n geometri model elemen hingga s e c a r a k e s e l u r u h a n ,
Harga b e b a n t e k u k kritis u n t u k model overall buckling t a n p a d e l a m i n a s i a d a l a h 148,26 N / m m . S e d a n g k a n u n t u k model wrinkling t a n p a d e l a m i n a s i diperoleh h a r g a 196,25 N / m m . Hasil perh i t u n g a n b e b a n t e k u k kritis d e n g a n metode elemen hingga ini m e n d e k a t i h a r g a b e b a n t e k u k kritis d e n g a n analisis teoritik m e n g g u n a k a n metode RayleighRitz dan eksperimen yang telah dilakukan
oleh Adi Aseno (Ref. 1) u n t u k kolom sandwich t a n p a delaminasi. Tabel 3-1 menunjukkan perbandingan hasil per-
hitungan beban t e k u k kritis secara teoritik, pengujian d a n elemen hingga.
Gambar 3-1:Model setengah kolom m o d u s overall buckling t a n p a delaminasi G a m b a r 3-1 m e n u n j u k k a n model setengah kolom m o d u s overall buckling untuk struktur sandwich tanpa delaminasi. Sedangkan u n t u k harga beban kritik dengan variasi delaminasi pada satu p e r m u k a a n m a u p u n p a d a d u a p e r m u k a a n face p a d a struktur sandwich dapat dilihat p a d a Tabel 3-2 d a n Tabel 3-3.
50 60 70 80 90 100
31,13 23,73 18,55 14,96 12,96 12,63
30,38 23,16 18,08 14,59 12,95 12,62
2,47 2,46 2,60 2,54 0,08 0,08
Tabel 3-2: PCR VS % DELAMINASI MODUS OVERALL BUCKLING Modus Overall Buckling ( h = 45 mm) Per (N/mm) Per (N/mm] % % selisih Delaminasi Upper Both 0 148,26 148,26 0,00 137,61 1,36 10 139,48 20 98,28 93,53 5,08 30 63,87 61,57 3,74 42,44 2,90 40 43,67
Gambar 3-2:Grafik Per Vs % delaminasi p a d a lapisan face m o d u s overall buckling
94
G a m b a r 3-4 m e n u n j u k k a n model setengah kolom m o d u s overall buckling u n t u k struktur sandwich dengan delaminasi p a d a k e d u a lapisan face dengan panjang delaminasi sebesar 20 % dari panjang total.
a k a n mengalami p e n u r u n a n . P e n u r u n a n yang sangat drastis terjadi p a d a d a e r a h panjang delaminasi 10 % - 40 %. Hal ini m e n u n j u k k a n bahwa d e n g a n a d a n y a delaminasi sedikit saja p a d a s t r u k t u r sandwich, langsung m e n u r u n k a n kek u a t a n n y a secara signifikan. Baik itu u n t u k delaminasi satu lapisan m a u p u n d u a lapisan face. Sedangkan setelah 40 %, p e n u r u n a n beban t e k u k kritis tidak terlalu signifikan, mengingat panjang delaminasi yang terjadi telah b e r t a m b a h . Namun perbandingan harga beban tekuk kritis u n t u k k a s u s delaminasi satu lapisan dan dua lapisan face sangat kecil, yaitu kurang dari 3 %. Ini m e n u n j u k k a n , pengaruh delaminasi a n t a r a satu lapisan dengan d u a lapisan face tidak berpengaruh terhadap p e n u r u n a n harga beban tekuk kritis y a n g terjadi. U n t u k k a s u s delaminasi p a d a bagian core, p e n u r u n a n harga beban kritis tidak begitu signifikan jika panjang delaminasi tidak begitu besar, a k a n tetapi ketika panjang delaminasi mencapai lebih dari 60%, pengaruh delaminasi tersebut c u k u p besar. Tabel 3-3: PCR VS % DELAMINASI PADA LAPISAN CORE
G a m b a r 3-4:Model setengah kolom mod u s overall buckling u n t u k s t r u k t u r sandwich Harga b e b a n t e k u k kritis dengan variasi delaminasi p a d a bagian tengah lapisan core s t r u k t u r sandwich dapat dilihat pada Tabel 3-3. Grafik beban tekuk kritis t e r h a d a p panjang delaminasi p a d a lapisan core d a p a t dilihat p a d a Gambar 3-5. Dari hasil perhitungan beban t e k u k kritis, diperoleh hasil bahwa dengan bertambahnya panjang delaminasi, m a k a h a r g a beban tekuk kritis j u g a
95
Gambar 3-5:Grafik Per Vs % delaminasi p a d a core m o d u s overall buckling
4 KESIMPULAN Dari analisis diatas, dapat diambil kesimpulan b a h w a hasil analisis perhitungan beban kritis dengan menggunakan metode elemen hingga ini menunjukkan kedekatan hasil dengan analisis teoritik dan eksperimen yang telah dilakukan. Selain itu,* delaminasi akan sangat mempengaruhi h a r g a beban kritis yang teijadi, P e n u r u n a n k e k u a t a n akan semakin b e s a r dengan meluasnya delaminasi p a d a s t r u k t u r sandwich. Dan yang h a r u s diperhatikan u n t u k k a s u s delaminasi p a d a lapisan face, bahwa teijadi p e n u r u n a n k e k u a t a n yang c u k u p signifikan p a d a panjang delaminasi antara 10 % - 40 % dari panjang kolom. Pengaruh r e t a k p a d a core tidak begitu besar j i k a panjang retak tidak terlalu besar. Hal ini k a r e n a p a d a panjang retak yang kecil bagian core yang tersisa masih c u k u p k u a t u n t u k menjaga agar kedua bagian face tetap t e r h u b u n g tegak lurus satu s a m a lain. DAFTAR RUJUKAN Aseno, Adi. 1998. Analisis Beban Tekuk Kritis Kolom Sandwich Komposit OrthotmpDc, Departemen Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung.
Benson, A.S a n d Meyers, J., 1967. General Instability and Face Wrinkling of Sandwich Plates-Unified Theory and Applications. A1AA J o u r n a l Vol. 5, No. 4. Hadi, B.K. 2 0 0 0 . Diktat Kuliah PN-336 Mekanika Struktur Komposit, Penerbit ITB, Bandung. Hadi, B.K a n d Matthews, F.L, 2 0 0 0 . Development of Benson-Mayers Theory on the Wrinkling of Anisotropic Sandwich Panels. Journal of Composite Structure, Vol.49, No. 4. Ley, R.P., Lin, W.and Mbanefo, U. 1999. Facesheet Wrinkhng in Sandwich Structure, NASA Report CR-1999208994. Hantema, F.J. 1966- Sandwich Construction, J o h n Wiley & Sons, California. Sleight, D.W a n d Wang, J.T. 1995. Buckling Analysis of Debonded Sandwich Panel under Compression, NASATM-4701. Subagja, Agus. 2 0 0 1 . Beban Tekuk dan Kerut Kolom-Panel Sandwich Komposit, Tesis Magister, Departemen Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung.
96
