Prosiding PerlemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
ANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTUR SISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG
Hary Soebagyo.,Andi Muhdiar Kadir lupT -LUK BPP Teknologi 21JPT-LUK BPP Teknologi
ABSTRAK ANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTUR SISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG. Pesawatterbang sipil daD militer untuk misi tertentu biasanya mempunyai pintu belakang (ramp door). Struktur sistem pengait dari pintu belakang pesawatterbang dalam operasinya banyak mengalami beban dinamis akibat dari berat pintunya sendiri daD muatannya. Disisi lain, struktur sistem pengait tersebut tidak boleh mengalami gagal fungsi akibat adanya kelelahan material saat beroperasi,dimana hat ini dapat mengancamkeselamatanpenggunajasa penerbangan.Oleh karena itu uji kelelahan perlu dilakukan terhadap struktur tersebut untuk menjamin keandalannya.Makalah ir\i membahasmetode daDanalisis hasil pengujian kelelahan dari 3 jenis struktur sistem pengait pintu belakang pesawatterbang denganmaterial AI 2024 -T351. Hasil pengujian menunjukkan bahwa umur lelah yang tinggi terjadi pada struktur sistem pengait yang mempunyai desain hook structure dengan stiffenemya sesumbudengan arah beban daDluas penampang efektipnya yang menerima bebantersebut.
ABSTRACT FATIGUE ANALYSIS OF HOOK STRUCTURE OF AIRCRAFT RAMP DOOR. The civil and military aircraft's for particular purpose usually have a ramp door. The hook structure of aircraft ramp door undergoes many dynamic loads due to its weight and payload during in service. Beside that, the structure may not fail under material fatigue, which is going to be the safety thread for the passenger.Therefore, the fatigue test of this hook structure should be performed to insure its reliability. T his paper discussesthe test method and analysis of three types of hook structure system made of AI 2024-T351. The test result shows that the maximum fatigue life occurred in the hook structure which stiffener coincide with respect to the load direction and the effective of hook cross section area.
PENDAHULUAN Penerapankonsep kelelahan sangat erat hubungannya dengan penerapanfilosofi desain safe life yang cendenmg menitik beratkan pada jumlah siklus atau umur suatu struktur sampai awal terjadinya kerusakan, sedangkan penerapan konsep mekanika patah sangat berkaitan dengan penerapan filosofi desain fail safe atau damage tolerance. Walaupun dewasa ini aplikasi konsep damage tolerance banyak dipakai dalam mendesain struktur pesawat terbang, tetapi tidak pada semua struktur pesawat pesawat terbang dapat didesain dengan menggunakan konsep damage tolerance. Bagian struktur pesawat terbang yang tidak didesain dengan konsep safe life atau tidak mengijinkan terjadinya retak selama umur pengoperasian pesawat terbang tersebut sehingga jika terjadi cacat retak lelah maka langsung diganti. Desain struktur tersebut tentunya menggunakan konsep kelelahan dimana didasarkan pada umur mulai terjadi retak sehingga umur desainnya dibuat sebelum retak awal terjadi.
Salah satu struktur pesawat terbang yang didesainden~ konsepsafelife adaIahstruktur sistem pengaitpintobelakang(rampdoor).Hal ini didasarkan padafungsidan dimensistruktumyadimanafungsinya sangatpenting untuk menahanberat pinto belakang, sedangkanstruktumya relatip kecil (prosespenjalaran retak solit dipantaudenganbaik). Dalam makalah ini akan dibahas masalah metodedaD analisis basil pengujian kelelahan daTi struktur sistem pengait dari pinto belakang pesawat terbang. KELELABAN PABA MATERIAL KONSTRUKSI Salah satu faktor penting daTi perencanaan kekuatan mekanis struktur J>esawat terbang adalah faktor ketahananlelah. Penerapankonsep kelelahan bermanfaat dalam meramalkan umur pemakaian sebelum struktur tersebut mengalami kerusakan sehinggahat yang tidak diinginkan dapat dihindari. Kelelahan yang terjadi pada material struktur dipengaruhioleh faktor-faktor sepertiteganganutama daD amplitudo teganganyang bekerja, jenis pem-
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III Serpong,20 -21 Oktober 1998 bebanan, frekuensi, temperatur, kondisi lingkungan, proses pembuatan, perlakuan panas, proses pabrikasi, dimensi, kekasaran permukaan, bentuk serta tegangan dalam atau tegangan sisa. Disamping faktor-faktor tersebut diatas ketahanan lelah suatu material struktur juga sangat ditentukan oleh kondisi siklus yang direncanakan yaitu siklus rendah atau siklus tinggi. Pemilihan jenis siklus ini didasarkan pada tingkat keandalan dari produk yang ingin dibuat dan hal ini akan mempengarohi terhadap faktor ekonomi seperti masalah pemilihan material, proses ataupun jaminan motu. Pembebanandengan siklus tinggi dimaksudkan bahwa beban maksimum yang bekerja pada stmktur tidak akan pernah lwih tinggi dari kekuatan kelelahan struktur tersebut. Sedangkan pembebanan siklus rendah berarti tegangan yang bekerja pada struktur untuk jumlah siklus tertentu dapat lebih tinggi dari' kekuatan kelelahannya tetapi tanpa mempersingkat umur pemakaiannya. Untuk menerapkan siklus tinggi atau rendah maka diperlukan data bempa karakteristik kelelahan material. Hal ini dapat dipenuhi dengan membuat diagram S-N yang ditunjukkan secara skematik dalam gambar 1. Diagram S-N ialah diagram atau grafik yang menunjukkan hubungan antara tegangan dengan jumlah sikIus pembebanan. Diagram S-N ini dibuat dengan melakukan pengujian terhadap beberapabenda uji dengan tingkat pembebanan yang berlainan. Dari kurva ini dapat diperoleh distribusi kemungkinan untuk kekuatan lelah (A) dan distribusi kemungkinan untuk jumlah siklus/umur (B).
ISSN 1410-2897 saja ~gkan pada material Aluminium tidak berlaku karena material aluminium tidak mempunyai kondisi distribusi A (umur tidak terbatas).Karena itu maka pada material aluminium hanya mempunyai kondisi distribusi B (umur terbatas).
PENGUJIAN Benda Uji Benda Uji daIam pengujian ini lnempakan bentuk yang sarna dengan keadaan sebenarnya (cut-out) dilapangan. Benda Uji terdiri dari dua komponen yaitu port fitting dan hook structure. Benda Uji terdiri 3 buah bentuk yang berbeda. Material Benda Uji adaIah AI 2024 -T351 dengan spesifikasi sebagaiberikut : ..cnIlt= 427Mpa.. ayield= 324 MPa ..E=73776Mpa ..8=6% ..G=27580MPa Luaspenampangkritis dari struktur gsrem pengaitadalah: ~tiI hook structure = 196 mm2 ~portfitting = 192 mm2 Metode Pengujian Metode pengujian secara eksperimental dilakukan terhadap Benda Uji dengan tujuan untuk mengetahui kemampuan Benda Uji terhadap beban dinamis. Peralatanuji yang digunakan antara lain mesin uji tarik servohidraulik kapasitas63 kN beserta kontrol elektronik. Uji kelelahan ini menggunakan beban uji am. plitudo konstan dengan Fmaks.= 17,65 kN atau O'~ = 89MPa. Rasio,R = 0,05 dan frekwensi pengujian 10Hz.
'--
Log siklus
Gambar
(N)
~
Diagram S -N
Perencanaan yang menerapkan siklus tinggi maupun menggunakan distribusi A karena menyangkut kekuatan lelah daIam jumlah siklus yang ~. Distribusi ini sangat penting dipakai untuk perencanaan batas kelelahan (fatigue limit). Bila tegangan distribusi yang bekerja lebih kecil dari tegangan distribusi kekuatan maka struktur tersebuttidak akan mengaIami kemsakan. Sedangkan jika tegangan distribusi yang bekerja lebih besar dari tegangan distribusi kekuatan maka pada stroktur akan terjadi kemungkinan kerusakan. Istilah distribusi A dan B ini hanyaberlaku untuk material baja
Hary Soebagyodan And; Muhdiar Kadir
Gambar3. Set-updaDsistempengujian
97
Prosiding Pertemuanllmiah Sains Materi III Serpong,20 -21 Oktober 1998 Karena benda uji yang digunakanadalah dari bahanaluminiummakaberdasarkangambar1,kondisi distribusiyang terjadiadalahkondisiB (umurterbatas) Urutan pengujianadalahsebagaiberikut : .inspeksi awalterhadapBendaUji .Optimasi mesinuji .Pemasangan BendaUji padamesinuji .Pelaksanaan pengujian .Analisis basil uji Testset-up clan sistempengujian ditunjukkan sepertigambar3, sedangkansketsBendaUji dan arab pembebanan dapatditunjukkanpadagambar4.
ISSN1410-2897 Tabel 1. Hasil uji dinamis No"
B.U
Fmax (N)
1
I
17615
2
II
17615
3
III
17615
(N)
Frek (Hz)
880
10
Fmin
I
1-;;;-II)
880
10
Siklus
~ 13 79 60
dalam menjadisangatbesar(RumusMoment,M=F.L , L sangatbesar)dimana diketahuibahwa peningkatan tegangankerja yang tinggi mengakibatkannilai faktor konsentrasiteganganyang tinggi dan dapat menyebabkanketahananlelahmenjadimenurnn. Dari gambar lokasi daD permukaan patahan juga dapat diketahuibahwa arab patahancenderung tegaklurns denganarabbroaD(tarik murni). Dari tabel 1juga dapatdiketahuibahwaBenda Uji no II dan III mem-punyaiumur lelah yang relatip tinggi yaitu 79 ribu siklusun~ BendaUji II dan 60 ribu siklus untuk BendaUji III. Hal ini disebabkanoleh posisi stiffener hook structure dati krona Benda Uji ini cenderung segaris alan satu sumbu dengan arab pembebanan
Gambar 4. Skets Benda Uji daD arab pembebanan
HASH.un DAN DISKUSI Hasil pengujian terhadap ke 3 buah Benda Uji dapat dilihat dalam tabel I. Ketiga Benda Uji mengaiami patah (failure) daD mempunyai basil yang berbeda walaupun dengan beban uji yang sarna. Dengan patahnya semua benda uji tersebut, terbukti bahwa kondisi distribusi yang terjadi adalah kondisi B (umur terbatas) karena bahan benda uji adalah aluminium. Perbedaan umur ini lebih dominan dipengaruhi oleh faktor desain. Dari Tabel I terlihat bahwa Benda Uji I mempunyai umur lelah yang lebih kecil dari yang lainnya. yaitu: 13.000 siklus. Hal ini disebabkan oleh pengaruh posisi stiffener hook structure yang cenderung arahnya menjauhi arab pembebanan, dimana hat ini mengakibatkan defleksi total bertambah besar akibat jarak antara titik pembebanan dengan stiffener lebih besar sehingga tegangan yang diterima oleh penampang kritis hook .\'tructure tersebut terutama permukaan bagian
98
Gambar 5 : Patahan hook str. B.U 1
Gambar6 : Profil patahanhook str. B.U 1
Hary SoebagyodanAndi Muhdiar Kadir
Prosiding PertemuanIlmiah Sains Materi III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897 cendenmg segaris (M=F.L, dirnana L sangatkecil). Dari gambar lokasi daD permukaan patahan Benda Uji II (gambar 6 dan 7) terlihat bahwa akibat tegangan yang terjadi pada permukaan bagian dalam daTi Benda Uji II relatip kecil maka masih sempat mengalarni penjalaran retak sarnpai panjang terentu sebelurn mengalami patah statik. Dari gambar lokasi dari permukaan patahan Benda Uji III (gambar 8 dan 9) terlihat bahwa akibat dimensi lebar dari hook structure sedikit lebih besar dari Benda Uji I maka arab patahan mengarab agak keatas. Dalam pengujian ini fracture toughness daD per-hitungan tegangan setempat tidak dibahas, sebab penjalaran retak (crack growth) dan tegangan kerja
Gambar 7 Patahanhook str B.U 2
Gambar9. Patahanhook str. B.U 3
Gambar 8. Profit patahanhook str. B.O 2
dimana detleksi total relatip kecil, sehingga tegangan yang bekelja pada penampangkritis menjadi relatip kecil karena terdis-tribusi ke c'itiffener hook .\'tructure. Ini mengindikasikan bahwa tegangan kerja daD faktor intensitas teganganyang bekelja pada bagian dalam dari hook lebih kecil dari Benda Uji I sehingga mempunyai ketahanan lelah yang lebih tinggi. Hal ini juga tampak pada lokasi patahan Benda Uji II daDIII dirnana arnh patahan tidak lagi tegak lurns dengan arab beban seperti halnya pada pada Benda Uji I tetapi agak berpindah kearah bawah untuk Benda Uji II daD keatas untuk Benda Uji III sehingga luas permukaan patahan lebih besar. Hal ini juga menunjukkan bahwa teganganyang bekelja pada Benda Uji II dan III relatip lebih kecil dibandingkan dengan Benda Uji I dan sedikit mengalarni tegangan geser akibat jarak sumbu pembebananyang
Gambar 10 : Profil patahanhook str. B.U')
menggunakanstraingagestidak dipantaukarenayang diprioritaskanadalahketahananlelahnya
Prosiding Pertemuanllmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
KESIMPULAN
DAFfAR PUSTAKA
Desain struktur pengait pintu belakang pesawat terbang dengan stiffener yang segaris atau satu sumbu dengan arab pembebananmemberikan ketahanan lelah yang tinggi. Karena itu maka penentuan arab stiffener pads hook structure daTi suatu struktur yang mengalami beban dinamis sangat penting untuk diper-
[1). BHRUN,E.F,"Analysisanddesignofflightvehicle structures",S.RJacobsand AssociatesInc., USA,
timbangkan.
UCAPAN TERIMA KASm Ucapan terima-kasih penulis sampaikan kepada rekan-rekan dari UPT -LUK dan PT.IPTN atas bantuan daD kerjasamanya sehingga pengujian ini dapat berlangsung dengan baik.
100
1973
[2). DIETER DENGEL, "Die arc. sin""P -Transformation -ein einfachesVerfahrenzur geplanter Wohlerversuche", Journal of Materials Technology 6 Jahrgang,Aug. 1975 [3). DOBROVOLSKY,Vet. at, "Machine Elements", Foreign LanguagesPublishing House, Moscow [4). HOWARDE. BOYER. "Atlas ofFatigueCurves", American Societyfor Metal, Metals Park, Ohio 44073
[5). UTAMA H. P., "Kelelahan dan Mekanika 'Retakan", UPT-LUK BPP Teknologi PUSPIPTEKSerpong,,1994.
Hary SoebagyodanAndi Muhdiar Kadir
