JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN:

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

1

Analisa Numerik Pengaruh Tekanan Hidrostatik pada Material Komposit dengan Ratio Perbandingan 60% Carbon Fibre – 40% Epoxy yang Dipadukan dengan Metal Liner pada Bagian Hull AUV ITS 01B Natan Henri Soplantila, Putu Suwarta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]

Abstrak-Perkembangan teknologi untuk eksplorasi laut dalam telah mengalami kemajuan yang signifikan, salah satu hasilnya adalah Autonomous Underwater Vehicle. Kapal selam ini merupakan pengembangan dari ROV ( Remotely Operated Vehicle) dimana pengendalian langsung oleh manusia pada ROV melalui kabel (tether) digantikan oleh program misi yang dimasukkan ke dalam sistem kendali AUV, sehingga AUV dapat menjalankan misi secara Autonomous (mandiri) . Keunggulan AUV ini membuat AUV layak untuk dikembangkan baik untuk kepentingan sipil maupun pertahanan dan keamanan. AUV terdiri dari 3 bagian yaitu Nose, Hull, dan Tail, dimana bagian Hull perlu perhatian khusus dalam perancangan AUV karena pada bagian ini peralatan-peralatan utama misi AUV ditempatkan. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa kemampuan material Hull AUV yang terbuat dari material komposit dengan ratio perbandingan 60 % Carbon Fibre T700 24k dan 40% Bhispenol Epoxy A Type yang dipadukan dengan metal liner saat mengalami tekanan hidrostatik air laut dengan variasi kedalaman 50, 75, dan 100 meter menggunakan bantuan perangkat lunak FEM. Simulasi yang dilakukan meliputi pemilihan material, penentuan boundary condition, penentuan beban, dan output hasil simulasi. Parameter yang akan diukur adalah distribusi tegangan dan regangan pada Hull AUV. Hasil yang didapatkan dari penelitian ini adalah tegangan maksimum yang bekerja untuk material hybrid composite pada kedalaman 50 meter adalah 55,6 MPa, kedalaman 75 meter adalah 80,9 MPa, dan kedalaman 100 meter adalah 106 MPa. Tegangan maksimum yang bekerja untuk material stainless steel 304 pada kedalaman 50 meter sebesar 101 MPa, untuk kedalaman 75 meter sebesar 147 MPa, dan untuk kedalaman 100 meter sebesar 193 MPa. Pengurangan tegangan yang dicapai dengan penggunaan hybrid composite untuk kedalaman 50 meter, 75 meter, dan 100 meter masing-masing adalah sebesar 44,95 %, 44,96 %, dan 45,08 %. Kata

Kunci-Hybrid

Composite, Metal Liner, Hidrostatik.

Tekanan

I. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi untuk eksplorasi laut dalam telah mengalami kemajuan yang signifikan. Salah satu hasil pengembangan teknologi tersebut adalah wahana bawah air tak berawak (Unmanned Underwater Vehicle) yang mampu

menyelesaikan misi pada kedalaman yang sulit dilakukan oleh kapal selam berawak, baik militer maupun komersial. Perkembangan teknologi UUV (Underwater Unmanned Vehicle) dimulai dari ROV (Remotely Operated Vehicle) yaitu wahana tanpa awak yang dikendalikan langsung oleh manusia lewat tether (kabel, serat optik) dan saat ini melangkah ke tahap yang lebih maju yaitu AUV (Autonomous Underwater Vehicle). Berbeda dengan ROV, rencana misi AUV yang telah ditentukan sebelumnya dimasukkan ke dalam sistem kendali, sehingga AUV beroperasi secara mandiri (autonomous). Tenaga manusia hanya diperlukan untuk mengawasi AUV saat menjalankan misi. Bagian yang perlu perhatian khusus dalam merancang AUV ITS adalah badan AUV yang disebut Hull. Hull akan menerima gaya eksternal dari lingkungan (air laut) saat beroperasi, sehingga dibutuhkan material yang mampu menahan gaya eksternal yang bekerja, karena pada bagian Hull sebagian besar peralatan misi AUV ditempatkan. Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat diketahui karakteristik material hybrid composite untuk Hull AUV ITS ketika terkena beban eksternal akibat tekanan air laut. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Penelitian Terdahulu Penelitian tentang pengaruh tekanan hidrostatik terhadap bagian hull AUV telah dilakukan di banyak negara. Beberapa jurnal yang dipilih untuk menjadi acuan bagi penelitian ini adalah jurnal yang disusun oleh Khairul Izman Abdul Rahim, A R Othman, dan Mohd Rizal Ashad [1]. Mereka menganalisa kemampuan silinder yang terbut dari hybrid composite yang terdiri dari E-Glass/Epoxy yang dipadukan dengan metal liner untuk beroperasi sampai kedalaman 200 meter di bawah permukaan laut.hasil penelitian ini adalah tegangan yang bekerja pada silinder Eglass-Epoxy sebesar 441,275 Nm-2 dan displacement yang terjadi sebesar 0,293E-4.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

2

dalam letak suatu bagian zat cair, semakin besar tekanan pada bagian itu. Persamaan tekanan hidrostatik : P = ρfluida g h (5) Karena adannya tekanan atmosfir di permukaan zat cair sebesar Patmosphere, maka tekanan absolut pada kedalaman h adalah : P = ρfluida g h + Patmosphere (6) Gambar 1. Hybrid composite dengan metal liner berupa stainless steel[1]

Penelitian yang lain dilakukan oleh Chul-Jin Moon, InHoon Kim, Bae-Hyeon Choi, Jin-Hwe Kweon, Jin-Ho Choi[1]. Spesimen yang digunakan adalah silinder komposit yang terdiri dari Carbon Fibre jenis T700 24k dengan sudut [+60/90] dan Bhispenol A Type Epoxy[2]. Silinder tersebut disimulasikan menggunakan alat khusus yang mewakili tekanan hidrostatik air laut hingga 1000 meter. Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah silinder komposit dengan sudut [+60/90] mampu menahan tegangan buckling yang terjadi sebesar 7,16 MPa. A.

Combined loading pada silinder bertekanan[4].

C. Tegangan yang bekerja pada fibre-reinforced composite material[3]. Tegangan yang bekerja pada material yang diperkuat oleh serat ( fibre ) adalah sebagai berikut.

Keterangan Arah 1 : arah fibre (sumbu x) Arah 2 : arah matriks ( sumbu y) Arah 3 : arah matriks (sumbu z) Gambar 2. Tegangan yang bekerja pada fibre reinforced composite material. D. Equation of State (EOS) material komposit.

Gambar 3.(a) Tegangan hoop pada silinder bertekanan. (b) tegangan aksial pada silinder bertekanan.

Persamaan tekanan yang bekerja pada silinder bertekanan adalah sebagai berikut. Σ Fx = 0;

2[σ1(t dy)] – p(2r dy) = 0, sehingga σ1 adalah

(1)

σ1 =

(2)

Pemodelan komposit pada penelitian ini membutuhkan Equation of State (EOS) tipe orthogonal dengan persamaan sebagai-berikut. 1. Young’s Modulus pada bidang 1 (E1) (7) 2. Tegangan normal pada bidang 1 (σ1) (8) 3. Regangan pada bidang 1 (ε1)

σ1 = Tegangan hoop p = Tekanan t = Tebal silinder r = Jari-jari silinder Σ Fy = 0;

4. Poisson’s ratio pada bidang 1 arah 2 (v12 = v13)

(N) (N/m2) (m) (m)

σ2(2πrt) – p(πr) σ2 =

2

(9)

(10) 5. Regangan pada bidang 2 (ε2) (3) (4)

(11) 6. Tegangan normal pada bidang 2 (σ2 ) (12)

σ2 = Tegangan hoop p = Tekanan t = Tebal silinder r = Jari-jari silinder

(N) (N/m2) (m) (m)

B. Tekanan Hidrostatik Tekanan di dalam fluida tak bergerak yang diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi disebut tekanan hidrostatik. Tekanan di dalam zat cair yang disebabkan oleh adanya gaya gravitasi yang bekerja pada tiap bagian zat cair. Besar tekanan hidrostatik bergantung pada kedalaman, makin

(13) (14) (15) (16)

7. Young’s modulus pada bidang 2 (E2 = E3) (17)

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

8. Regangan pada biang 3 (ε3)

3 III. METODE PENELITIAN

(18) (19) (20)

Penelitian ini akan dianalisa secara numerik untuk mendapatkan data yang dibutuhkan yaitu nilai tegangan dan regangan yang bekerja pada bagian Hull AUV ITS.

9. Poisson’s ratio pada bidang 2 arah 3 (v23) (21) 10. Shear modulus pada bidang 1 arah 2 (G12 = G13) (21) Gambar 4. Dimensi AUV ITS 01b.

11. Shear modulus pada bidang 2 arah 3 (G23) (22) keterangan : f : fibre m : matriks

E.

Analisa Kegagalan. 1. Kriteria Kegagalan Tsai Wu[3]. Kriteria kegagalan Tsai Wu digunakan untuk menganalisa kegagalan yang terjadi pada material orthotropic, yaitu material yang memiliki nilai modulus elastisitas berbeda di setiap arah bidang. Material dinyatakan tidak mengalami kegagalan jika nilai kriteria yang didapatkan kurang atau sama dengan satu. Persamaan kriteria kegagalan Tsai Wu adalah sebagai berikut.

(22) Keterangan : F1 : F2 : F11 : F22 : F66 :

σ1 : σ2 :

Penelitian ini dimulai dengan studi literatur mengenai beberapa penerapan tegangan hidrostatik untuk aplikasi pada bagian Hull AUV sebelum analisa numerik. Literatur yang dipelajari berupa jurnal-jurnal tentang penelitian AUV , tugas akhir, dan text book. Data tekanan untuk variasi kedalaman didapatkan dari perhitungan manual yang mengacu pada kriteria kegagalan Tsai Wu. Data sifat mekanik material didapatkan dari jurnal acuan dan literatur, cara melakukan analisis pada perangkat lunak FEM didapatkan melalui literatur.Bagian Hull AUV dimodelkan pada perangkat lunak FEM sesuai dimensi sebenarnya. Tahap selanjutnya adalah proses penetapan boundary condition, pemberian tekanan hidrostatik, dan simulasi. Plotting hasil simulasi berupa data, gambar, dan grafik tentang tegangan yang bekerja dan regangan yang terjadi pada bagian Hull AUV. Hasil analisa simulasi berupa tegangan dan regangan dibandingkan dengan jurnal literatur (Chul-Jin Moon, In-Hoon Kim, Bae-Hyeon Choi, Jin-Hwe Kweon, Jin-Ho Choi (2009))[2] dan perhitungan manual yang berdasarkan kriteria kegagalan Tsai Wu. Perubahan tegangan dan regangan pada material hybrid composite akan dibandingkan dengan hasil simulasi pada material stainless steel sesuai dengan variasi kedalaman yaitu 50, 75, dan 100 meter. Urutan pengerjaan simulasi ini dapat dilihat pada diagram alir penelitian dan diagram alir simulasi berikut. MULAI

STUDI LITERATUR DAN PENGUMPULAN DATA-DATA YANG DIBUTUHKAN

2.

Kriteria Kegagalan Von Misses. Kriteria kegagalan von misses digunakan untuk menganalisa gagal atau tidaknya material jenis isotropik. Material isotropik adalah material yang memiliki nilai modulus elastisitas sama pada setiap arah bidang. Material dinyatakan tidak mengalami kegagalan apabila nilai tegangan rata-rata yang didapatkan kurang dari nilai yield strength material tersebut.

PEMODELAN AUV

PENERAPAN TEKANAN BERDASARKAN VARIASI KEDALAMAN

PLOTTING HASIL SIMULASI

VERIFIKASI HASIL SIMULASI DENGAN JURNAL ACUAN DAN PERHITUNGAN MANUAL(KRITERIA KEGAGALAN TSAI WU) ,HASIL SESUAI?

TIDAK

(23) YA

Keterangan : Sy = yield strength dari material σ1 = tegangan prinsipal arah 1 σ2 = tegangan prinsipal arah 2 σ3 = tegangan prinsipal arah 3

ANALISA HASIL SIMULASI

KESIMPULAN

SELESAI

Gambar 5. Diagram Alir Penelitian.

4

Tegangan yang bekerja (MPa)

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271

MULAI

PREFERENCE

250 200 150 100

hybrid composite

50

stainless steel 304

0 50 75 100 Kedalaman (meter)

PREPROCESSOR : 1.ELEMENT TYPE 2.MATERIAL PROPERTIES 3.SECTION 4.MODELLING 3. MESHING

Gambar 6. Grafik Hasil simulasi pada setiap variasi kedalaman untuk material hybrid composite dan stainless steel 304 (tegangan dan regangan).

SOLUTION 1.DEFINE BOUNDARY CONDITION 2.DEFINE LOADS 3.SOLVE

Tabel 2. Nilai kriteria kegagalan untuk komposit dan stainless steel 304.

GENERAL POST PROCESSOR PLOT RESULT

Kedalaman (meter)

Nilai Tsai Wu Failure Criteria Perhitungan Manual

50 VERIFIKASI PARAMETER HASIL SIMULASI DENGAN JURNAL ACUAN DAN HASIL PERHITUNGAN MANUAL BERDASARKAN KRITERIA KEGAGALAN TSAI WU, HASIL SESUAI?

TIDAK

Tegangan yang bekerja (MPa)

ANALISA HASIL SIMULASI

KESIMPULAN

SELESAI

Tabel 1. EOS komposit Carbon fibre-Epoxy

Poisson’s Ratio

Shear Modulus

250 200 150 100 50 0

0,075588

perangkat lunak FEM perhitungan manual

50

75

100

Gambar 8. Grafik kriteria kegagalan hasil analisa perangkat lunak FEM vs perhitungan manual (kriteria kegagalan Von Misses.

III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN.

Young’s Modulus

-39165855,56

0,2365

Kedalaman (meter)

Gambar 6. Diagram Alir Simulasi

Symbol E1 E2 E3 v12 v13 v23 G12 G13 G23

-22730029,75

100

YA

Properties

-10738343,71

75

Perangkat Lunak 0,1619

Rule of Mixture 139,4 7,1428 7,1428 0,268 0,268 1 3,2 3,2 1,7857

Unit GPa GPa GPa GPa GPa GPa

Tabel 2 memberikan informasi bahwa pengurangan tegangan terjadi pada penggunaan material komposit, untuk kedalaman 50, 75, dan 100 meter masing-masing adalah 44,95%, 44,96%, dan 45,08%. Tabel 3 memberikan informasi bahwa material komposit yang terdiri dari 60% carbon fibre -40% epoxy tidak mengalami kegagalan karena nilai kegagalan yang didapat dari perangkat lunak dan perhitungan manual kurang dari 1, dan untuk material stainless steel juga didapatkan nilai tegangan rata-rata von misses yang lebih kecil dari yield strength material stainless steel, sehingga dinyatakan bahwa material stainless steel tidak mengalami kegagalan. V.KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil setelah dilakukan analisa adalah sebagai berikut.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 1. Penambahan Carbon Fibre – Epoxy dapat mengurangi tegangan yang bekerja pada silinder stainless steel. 2. Nilai persentase penurunan tegangan tertinggi terjadi pada variasi kedalaman 100 meter yaitu yaitu 45,08 %, sedangkan nilai persentase penurunan tegangan terendah terjadi pada variasi kedalaman 50 meter yaitu 44,95 %. 3. Hasil perhitungan kriteria kegagalan Tsai Wu memberikan informasi bahwa material hybrid composite tidak mengalami kegagalan untuk semua variasi kedalaman. 4. Hasil perhitungan kriteria kegagalan Von Misses memberikan informasi bahwa material stainlees steel AISI 304 tidak mengalami kegagalan untuk semua variasi kedalaman karena nilai tegangan yang bekerja masih berada di bawah nilai yield strength dari material.

DAFTAR PUSTAKA 1.

2.

3.

4.

Rahim , Khairul Izman Abdul, Othman , A.R, Arshad, Mohd Rizal, 2011. Pressure Hull Development Using Hybrid Composite with Metal Liner Concept, Malaysia. Moon. Chul-Jin, In-Hoon Kim, Bae-Hyeon Choi, JinHwe Kweon, Jin-Ho Choi, 2010. Buckling of filamentwound composite cylinders subjected to hydrostatic pressure for underwater vehicle applications, School of Mechanical and Aerospace Engineering Republic of Korea, Korea. Hyer, M.W, 1998. Stress Analysis of Fiber-Reinforced Composite Materials, Virginia Polytechnic Institute and State University. Singapore. R.C. Hibbeler, 2011. Mechanics Of Material, 8th edition. Prentice Hall, United States of America.

5