analisis kekuatan lelah struktur sistem...

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

ANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTURSISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG

Hary Soebagyo., Andi Muhdiar KadirlupT -LUK BPP Teknologi21JPT -LUK BPP Teknologi

ABSTRAKANALISIS KEKUATAN LELAH STRUKTUR SISTEM PENGAIT PINTU BELAKANG PESAWAT TERBANG.

Pesawat terbang sipil daD militer untuk misi tertentu biasanya mempunyai pintu belakang (ramp door). Struktur sistem pengaitdari pintu belakang pesawat terbang dalam operasinya banyak mengalami beban dinamis akibat dari berat pintunya sendiri daDmuatannya. Disisi lain, struktur sistem pengait tersebut tidak boleh mengalami gagal fungsi akibat adanya kelelahan material saatberoperasi, dimana hat ini dapat mengancam keselamatan pengguna jasa penerbangan. Oleh karena itu uji kelelahan perlu dilakukanterhadap struktur tersebut untuk menjamin keandalannya. Makalah ir\i membahas metode daD analisis hasil pengujian kelelahandari 3 jenis struktur sistem pengait pintu belakang pesawat terbang dengan material AI 2024 -T351. Hasil pengujian menunjukkanbahwa umur lelah yang tinggi terjadi pada struktur sistem pengait yang mempunyai desain hook structure dengan stiffenemyasesumbu dengan arah beban daD luas penampang efektipnya yang menerima beban tersebut.

ABSTRACT

FATIGUE ANALYSIS OF HOOK STRUCTURE OF AIRCRAFT RAMP DOOR. The civil and military aircraft's forparticular purpose usually have a ramp door. The hook structure of aircraft ramp door undergoes many dynamic loads due to itsweight and payload during in service. Beside that, the structure may not fail under material fatigue, which is going to be the safetythread for the passenger. Therefore, the fatigue test of this hook structure should be performed to insure its reliability. T hispaper discusses the test method and analysis of three types of hook structure system made of AI 2024- T351. The test resultshows that the maximum fatigue life occurred in the hook structure which stiffener coincide with respect to the load direction andthe effective of hook cross section area.

PENDAHULUANSalah satu struktur pesawat terbang yang

didesain den~ konsep safe life adaIah struktur sistempengait pinto belakang (ramp door). Hal ini didasarkanpada fungsi dan dimensi struktumya dimana fungsinyasangat penting untuk menahan berat pinto belakang,sedangkan struktumya relatip kecil (proses penjalaranretak solit dipantau dengan baik).

Dalam makalah ini akan dibahas masalahmetode daD analisis basil pengujian kelelahan daTistruktur sistem pengait dari pinto belakang pesawatterbang.

KELELABAN PABA MATERIAL KONSTRUKSI

Penerapan konsep kelelahan sangat erathubungannya dengan penerapan filosofi desain safe lifeyang cendenmg menitik beratkan pada jumlah siklusatau umur suatu struktur sampai awal terjadinyakerusakan, sedangkan penerapan konsep mekanikapatah sangat berkaitan dengan penerapan filosofidesain fail safe atau damage tolerance. Walaupundewasa ini aplikasi konsep damage tolerance banyakdipakai dalam mendesain struktur pesawat terbang,tetapi tidak pada semua struktur pesawat pesawatterbang dapat didesain dengan menggunakan konsepdamage tolerance.

Bagian struktur pesawat terbang yang tidakdidesain dengan konsep safe life atau tidak meng-ijinkan terjadinya retak selama umur pengoperasianpesawat terbang tersebut sehingga jika terjadi cacatretak lelah maka langsung diganti. Desain strukturtersebut tentunya menggunakan konsep kelelahandimana didasarkan pada umur mulai terjadi retaksehingga umur desainnya dibuat sebelum retak awal

terjadi.

Salah satu faktor penting daTi perencanaankekuatan mekanis struktur J>esawat terbang adalahfaktor ketahanan lelah. Penerapan konsep kelelahanbermanfaat dalam meramalkan umur pemakaiansebelum struktur tersebut mengalami kerusakansehingga hat yang tidak diinginkan dapat dihindari.Kelelahan yang terjadi pada material strukturdipengaruhi oleh faktor-faktor seperti tegangan utamadaD amplitudo tegangan yang bekerja, jenis pem-

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

bebanan, frekuensi, temperatur, kondisi lingkungan,

proses pembuatan, perlakuan panas, proses pabrikasi,dimensi, kekasaran permukaan, bentuk serta tegangandalam atau tegangan sisa. Disamping faktor-faktortersebut diatas ketahanan lelah suatu material strukturjuga sangat ditentukan oleh kondisi siklus yangdirencanakan yaitu siklus rendah atau siklus tinggi.Pemilihan jenis siklus ini didasarkan pada tingkatkeandalan dari produk yang ingin dibuat dan hal iniakan mempengarohi terhadap faktor ekonomi sepertimasalah pemilihan material, proses ataupun jaminanmotu. Pembebanan dengan siklus tinggi dimaksudkanbahwa beban maksimum yang bekerja pada stmkturtidak akan pernah lwih tinggi dari kekuatan kelelahanstruktur tersebut. Sedangkan pembebanan siklusrendah berarti tegangan yang bekerja pada strukturuntuk jumlah siklus tertentu dapat lebih tinggi dari'kekuatan kelelahannya tetapi tanpa mempersingkatumur pemakaiannya. Untuk menerapkan siklus tinggiatau rendah maka diperlukan data bempa karakteristikkelelahan material. Hal ini dapat dipenuhi denganmembuat diagram S-N yang ditunjukkan secaraskematik dalam gambar 1. Diagram S-N ialah diagramatau grafik yang menunjukkan hubungan antarategangan dengan jumlah sikIus pembebanan. DiagramS-N ini dibuat dengan melakukan pengujian terhadapbeberapa benda uji dengan tingkat pembebanan yangberlainan. Dari kurva ini dapat diperoleh distribusikemungkinan untuk kekuatan lelah (A) dan distribusikemungkinan untuk jumlah siklus/umur (B).

saja ~gkan pada material Aluminium tidak berlakukarena material aluminium tidak mempunyai kondisidistribusi A (umur tidak terbatas). Karena itu maka padamaterial aluminium hanya mempunyai kondisi distribusiB (umur terbatas).

PEN GUJIAN

Benda Uji

Benda Uji daIam pengujian ini lnempakan bentukyang sarna dengan keadaan sebenarnya (cut-out)dilapangan. Benda Uji terdiri dari dua komponen yaituport fitting dan hook structure. Benda Uji terdiri 3 buahbentuk yang berbeda. Material Benda Uji adaIah AI2024 -T351 dengan spesifikasi sebagai berikut :..cnIlt= 427Mpa.. ayield= 324 MPa..E=73776Mpa ..8=6%..G=27580MPaLuas penampang kritis dari struktur gsrem pengait adalah:~tiI hook structure = 196 mm2~portfitting = 192 mm2

Metode Pengujian

Metode pengujian secara eksperimental di-lakukan terhadap Benda Uji dengan tujuan untukmengetahui kemampuan Benda Uji terhadap bebandinamis. Peralatan uji yang digunakan antara lain mesinuji tarik servohidraulik kapasitas 63 kN beserta kontrolelektronik.

Uji kelelahan ini menggunakan beban uji am.plitudo konstan dengan Fmaks.= 17,65 kN atauO'~ = 89 MPa. Rasio, R = 0,05 dan frekwensi pengujian

10Hz.

'-- Log siklus (N) ~

Gambar Diagram S -N

Perencanaan yang menerapkan siklus tinggimaupun menggunakan distribusi A karena menyangkutkekuatan lelah daIam jumlah siklus yang ~. Distribusiini sangat penting dipakai untuk perencanaan bataskelelahan (fatigue limit). Bila tegangan distribusi yangbekerja lebih kecil dari tegangan distribusi kekuatanmaka struktur tersebut tidak akan mengaIami kemsakan.Sedangkan jika tegangan distribusi yang bekerja lebihbesar dari tegangan distribusi kekuatan maka padastroktur akan terjadi kemungkinan kerusakan. Istilahdistribusi A dan B ini hanya berlaku untuk material baja Gambar3. Set-up daD sistem pengujian

Hary Soebagyo dan And; Muhdiar Kadir 97


Tabel 1. Hasil uji dinamis

Fmin

(N)

880

Frek(Hz)

10

II)

Siklus

~13

No" B.U

I

Fmax (N)

1

2

17615

17615

17615

II I 8801-;;;- 79

3 III 10 60

Karena benda uji yang digunakan adalah daribahan aluminium maka berdasarkan gambar 1, kondisidistribusi yang terjadi adalah kondisi B (umur terbatas)

Urutan pengujian adalah sebagai berikut :.inspeksi awal terhadap Benda Uji.Optimasi mesin uji.Pemasangan Benda Uji pada mesin uji.Pelaksanaan pengujian.Analisis basil uji

Test set-up clan sistem pengujian ditunjukkanseperti gambar 3, sedangkan skets Benda Uji dan arabpembebanan dapat ditunjukkan pada gambar 4.

dalam menjadi sangat besar (Rumus Moment, M=F.L ,L sangat besar) dimana diketahui bahwa peningkatantegangan kerja yang tinggi mengakibatkan nilai faktorkonsentrasi tegangan yang tinggi dan dapat menye-babkan ketahanan lelah menjadi menurnn.

Dari gambar lokasi daD permukaan patahanjuga dapat diketahui bahwa arab patahan cenderungtegak lurns dengan arab broaD (tarik murni). Dari tabel1 juga dapat diketahui bahwa Benda Uji no II dan IIImem-punyai umur lelah yang relatip tinggi yaitu 79ribu siklus un~ Benda Uji II dan 60 ribu siklus untukBenda Uji III. Hal ini disebabkan oleh posisi stiffenerhook structure dati krona Benda Uji ini cenderungsegaris alan satu sumbu dengan arab pembebanan

Gambar 4. Skets Benda Uji daD arab pembebanan

HASH. un DAN DISKUSIGambar 5 : Patahan hook str. B.U 1Hasil pengujian terhadap ke 3 buah Benda Uji

dapat dilihat dalam tabel I. Ketiga Benda Uji mengaiamipatah (failure) daD mempunyai basil yang berbedawalaupun dengan beban uji yang sarna. Denganpatahnya semua benda uji tersebut, terbukti bahwakondisi distribusi yang terjadi adalah kondisi B (umurterbatas) karena bahan benda uji adalah aluminium.Perbedaan umur ini lebih dominan dipengaruhi olehfaktor desain.

Dari Tabel I terlihat bahwa Benda Uji I mem-punyai umur lelah yang lebih kecil dari yang lainnya.yaitu: 13.000 siklus. Hal ini disebabkan oleh pengaruhposisi stiffener hook structure yang cenderung arahnyamenjauhi arab pembebanan, dimana hat ini meng-akibatkan defleksi total bertambah besar akibat jarakantara titik pembebanan dengan stiffener lebih besarsehingga tegangan yang diterima oleh penampang kritishook .\'tructure tersebut terutama permukaan bagian

Gambar 6 : Profil patahan hook str. B.U 1

98 Hary Soebagyo dan Andi Muhdiar Kadir

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

cendenmg segaris (M=F.L, dirnana L sangat kecil).Dari gambar lokasi daD permukaan patahan

Benda Uji II (gambar 6 dan 7) terlihat bahwa akibattegangan yang terjadi pada permukaan bagian dalamdaTi Benda Uji II relatip kecil maka masih sempatmengalarni penjalaran retak sarnpai panjang terentusebelurn mengalami patah statik.

Dari gambar lokasi dari permukaan patahanBenda Uji III (gambar 8 dan 9) terlihat bahwa akibatdimensi lebar dari hook structure sedikit lebih besardari Benda Uji I maka arab patahan mengarab agakkeatas. Dalam pengujian ini fracture toughness daDper-hitungan tegangan setempat tidak dibahas, sebabpenjalaran retak (crack growth) dan tegangan kerja

Gambar 7 Patahan hook str B.U 2

Gambar 9. Patahan hook str. B.U 3

Gambar 8. Profit patahan hook str. B.O 2

Gambar 10 : Profil patahan hook str. B.U')

menggunakan strain gages tidak dipantau karena yangdiprioritaskan adalah ketahanan lelahnya <fatigue life)saja, dimana yang menjadi referensinya adalah umurlelah.

dimana detleksi total relatip kecil, sehingga teganganyang bekelja pada penampang kritis menjadi relatip kecilkarena terdis-tribusi ke c'itiffener hook .\'tructure. Inimengindikasikan bahwa tegangan kerja daD faktorintensitas tegangan yang bekelja pada bagian dalam darihook lebih kecil dari Benda Uji I sehingga mempunyaiketahanan lelah yang lebih tinggi.

Hal ini juga tampak pada lokasi patahan BendaUji II daD III dirnana arnh patahan tidak lagi tegak lurnsdengan arab beban seperti halnya pada pada Benda UjiI tetapi agak berpindah kearah bawah untuk Benda UjiII daD keatas untuk Benda Uji III sehingga luaspermukaan patahan lebih besar.

Hal ini juga menunjukkan bahwa tegangan yangbekelja pada Benda Uji II dan III relatip lebih kecildibandingkan dengan Benda Uji I dan sedikit mengalarnitegangan geser akibat jarak sumbu pembebanan yang


DAFfAR PUSTAKAKESIMPULAN

Desain struktur pengait pintu belakang pesawatterbang dengan stiffener yang segaris atau satu sumbudengan arab pembebanan memberikan ketahanan lelahyang tinggi. Karena itu maka penentuan arab stiffenerpads hook structure daTi suatu struktur yang meng-alami beban dinamis sangat penting untuk diper-

timbangkan.

UCAPAN TERIMA KASm

Ucapan terima-kasih penulis sampaikan kepadarekan-rekan dari UPT -LUK dan PT.IPTN atas bantuandaD kerjasamanya sehingga pengujian ini dapatberlangsung dengan baik.

[1). BHRUN, E.F, "Analysis and design offlightvehiclestructures", S.R Jacobs and Associates Inc., USA,1973

[2). DIETER DENGEL, "Die arc. sin""P -Transfor-mation -ein einfaches Verfahren zur geplanterWohlerversuche", Journal of Materials Technol-ogy 6 Jahrgang, Aug. 1975

[3). DOBROVOLSKY, Vet. at, "Machine Ele-ments", Foreign Languages Publishing House,Moscow

[4). HOWARD E. BOYER. "Atlas of Fatigue Curves",American Society for Metal, Metals Park, Ohio44073

[5). UTAMA H. P., "Kelelahan dan Mekanika'Retakan", UPT-LUK BPP TeknologiPUSPIPTEK Serpong,,1994.

100 Hary Soebagyo dan Andi Muhdiar Kadir

analisis kekuatan lelah struktur sistem...

Documents