Abstrak — Unmanned  Aerial  Vehicle (UAV)  adalah  pesawat tanpa awak yang dapat dikendalikan dari jarak jauh atau oleh dirinya sendiri melalui program yang diberikan dalam pesawat tersebut.  Susahnya  menentukan  dan  mendesain  struktur  dari sayap  pesawat  ini  menjadi  permasalahan  yang  serius,  karena jika  konstruksi  sayap  berat  akan  menyebabkan  flight  time menurun.  Sehingga  perlu  dilakukan  optimasi  pada  sayap supaya mendapat hasil konstruksi yang lebih baik. Metodologi yang  dilakukan  pada  penelitian  ini  adalah  dengan  membuat model  geometri  sayap  pesawat  lalu  dilakukan  simulasi  static structure  pada  sayap  pesawat  untuk  kemudian  dilakukannya optimasi  topologi  pada  ribs  tersebut  untuk  mendapatkan konstruksi  struktur  sayap  yang  paling  optimal.  Tahapan  awal dari  proses  ini  adalah  dengan  memodelkan  geometri  sayap dengan  menggunakan  software  inventor,  lalu  penginputan geometri pada software ANSYS, kemudian dilakukan optimasi topologi  untuk  mengetahui  pengaruh  pengurangan  massa terhadap  tegangan  yang  terjadi  dengan  melakukan  berbagai variasi  massa  retain  yaitu  50%,  60%,  70%,  dan  80  sehingga dapat  tercapai  pemilihan  desain  terbaik  dari  kedua  metode tersebut.  Hasil  dari  penelitian  ini  diantaranya  tegangan  pada sayap UAV tanpa adanya optimasi topologi sebesar 8.02 Mpa, dan deformasi total sebesar 29.186 mm, dengan menggunakan optimasi topologi 60% maka akan menghasilkan pengurangan massa  dari  170.6144  gram  menjadi  55.642  gram,  tegangan maksimum pada sayap sebesar 10.881 Mpa dan deformasi total sebesar 40.252 mm.
Kata Kunci — Unmanned Aerial Vehicle (UAV), Ribs , Sayap .

## I. PENDAHULUAN
NMANNED Aerial Vehicle (UAV) adalah pesawat tanpa awak yang dapat dikendalikan dari jarak jauh atau oleh dirinya  sendiri  melalui  program  yang  diberikan  dalam pesawat  tersebut.  UAV  sangat  dikembangkan  di  ITS, terutama  oleh tim Bayucaraka. Struktur sayap  UAV terbuat dari kayu balsa dengan menggunakan konstruksi truss , akan tetapi sangat sulit untuk menentukan daerah mana pada ribs yang  harus  dilubangi  untuk  mendapatkan  berat  yang minimum. Salah satu metode optimasi struktural yang dapat digunakan adalah optimasi topologi [1].
Salah  satu  bagian  yang  penting  dalam  UAV fixed  wing adalah ribs yang  terdapat  pada  konstruksi  sayap , yang meliputi sayap kanan dan sayap kiri. Bentuk desain ribs dan pemilihan  material  perlu  diperhatikan  untuk  disesuaikan dengan  kegunaan  pesawat itu  sendiri.  Misalkan  saja  untuk UAV  yang  digunakan  untuk  pemetaan,  ada  dua  parameter yang perlu diperhatikan dalam mendesain ribs, yang pertama ribs harus  seringan  mungkin.  Semakin  ringan,  maka  energi yang  dibutuhkan  untuk  memutarkan  motor  semakin  kecil dengan  durasi  terbang  dan  dimensi  pesawat  yang  sama. Sementara  yang  kedua, ribs harus  memiliki  nilai  kekuatan
yang  tinggi  untuk  menahan  beban  yang  besar  pada  saat pesawat melakukan maneuver [2].
Kayu  balsa  juga  mempunyai  kekurangan,  yaitu  pada perancangan  design  yang  sangat  sulit  untuk  mendapatkan berat  yang  minimum  namun  kekuatan  tetap  baik,  sehingga perlu  dilakukan  optimasi  pada ribs sayap  tersebut  untuk meminimalkan berat dari pesawat UAV tersebut. Salah satu metode  optimasi  yang  dapat  digunakan  adalah  optimasi topologi  yang  diterapkan  pada  salah  satu  pabrikan  pesawat terbang UAV yang melakukan optimasi topologi pada sayap pesawat UAV [3].
Optimasi  topologi  adalah  metode  optimasi  struktur  yang bertujuan  untuk  meminimalkan  massa  dan  volume  dengan menggunakan  pendekatan  distribusi  tegangan  pada  suatu material dalam desain tertentu dengan melakukan pelubangan atau pengurangan massa pada bagian material yang menerima tegangan  dengan  nilai  tegangan  kecil,  sehingga  distribusi tegangan  dapat  disalurkan  dengan  baik  dengan  tetap mempertahankan  daerah  pada  material  hyang  mengalami distribusi tegangan yang besar [4].

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Objek Penelitian
Objek  pada  penelitia  ini  merupakan  bagian  sayap  dari Pesawat UAV Fixed Wing MALE. Ukuran dari sayap pesawat tersebut  yaitu  panjang  sebesar  2400  mm  dan  lebar  sebesar 300 mm serta mempunyai konfigurasi straight wing .
B. Pengumpulan Data
Rib yang  terdapat  pada  sayap  menjadi  objek  utama penelitian  ini  dimana  pesawat  yang  dianalisa  merupakan pesawat  UAV  milik  tim  Bayucaraka  ITS  yang  akan digunakan untuk Lomba KRTI. Sebagai penunjang penelitian ini, telah dilakukan pengumpulan data  angin dan gaya-gaya yang terjadi pada sayap pesawat ketika melakukan maneuver take off, cruise, dan landing.
C. Permodelan dan Analisa Pembebanan Struktur
Tahap  awal  dari  penelitian  ini  adalah  dengan  memilih airfoil dari  tipe airfoil NACA.  Kriteria  pemilihan  NACA dapat dilihat dari perbandingan grafik koefisien pada Gambar 1  yang  didapatkan  dari software X-Foil . Software ini  dapat menampilkan  nilai  dari  koefisien  angkat,  koefisien  hambat dan  koefisien  momen  dari airfoil keluarga  NACA.  Data perbandingan 7 airfoil diambil dari penelitian terdahulu pada laporan  kerja  praktek  di  PT.  Dirgantara  Indonesia  dengan judul  Pemilihan Airfoil untuk  pesawat  UAV Fixed  Wing MALE dengan  hasil  airfoil  yang  optimum  adalah  NACA 4415.

## Analisa Numerik Optimasi Topologi pada Rib UAV Fixed Wing MALE (Medium Altitude Long Endurance)
Tri Adi Yudantara dan Julendra Bambang Ariatedja Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : ariatedja@me.its.ac.id
U
Gambar 1. Koefisien angkat terhadap sudut serang
Gambar 2. Data Cl, Cd, dan Cm pada saat Take-Off .
Gambar 3. Data Cl, Cd, dan Cm pada saat Cruise .
Hasil  perbandingan  ketujuh airfoil tersebut  didapatkan airfoil terbaik untuk UAV Fixed Wing adalah airfoil NACA 4415,  dengan  nilai  koefisien  angkat  maksimum  atau  Cl tertinggi dibandingkan airfoil lainnya yang terjadi pada sudut serang  16 o .  NACA  4415  juga  mempunyai  nilai  Koefisien hambat atau Cd yang paling linear dibanding dengan airfoil lainnya, sehingga airfoil ini mempunyai nilai Cl/Cd atau nilai koefisien endurance yang paling tinggi, yaitu 170 pada sudut serang 6 o sehingga airfoil NACA 4415 dapat terbang dengan endurance flight yang besar jika digunakan pada UAV Fixed Wing dibandingkan dengan airfoil lainnya.
Gaya  angkat  sayap  pesawat  pada  penelitian  studi  ini merupakan distribusi gaya angkat yang telah disederhanakan berbentuk uniform untuk  sayap  berbentuk  persegi  panjang untuk  keseluruhan ribs berdasarkan  keterbatasan  data penelitian yang telah didapatkan.
Dengan menggunakan kecepatan maksimum sebagai input parameter  pada  saat take-off yaitu  sebesar  54  km/jam  atau dengan  nilai Mach  number 0.0536,  dengan  sudut  serang  4 0 maka airfoil NACA 4415 mempunyai nilai koefisien angkat sebesar 0.948, nilai koefisien hambar sebesar 0.0061 dan nilai koefisien  momen  sebesar  -0.107 dapat dilihat pada Gambar 2.
Dengan  memasukkan  geometri sayap pesawat dan  massa jenis  dari  material ribs dan spar maka  akan  diketahui  berat pada kontruksi sayap pesawat didapatkan dari hasil simulasi sementara pada software ANSYS  Workbench 18.0, sehingga didapatkan  data  berat  dari  kontruksi  sayap  pesawat  yang digunakan pada penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Berat dari kontruksi sayap UAV.
Kecepatan angin yang digunakan mengacu pada data yang didapat dari website Meteoblue dengan variasi ketinggian 10 m dan 80 m, dimana ketinggian 10 m digunakan pada variasi take off dan landing sedangkan variasi 80 m digunakan untuk variasi cruise . Kecepatan angin yang dijadikan referensi yaitu kecepatan angin yang berada di daerah Surabaya pada tanggal 19 Maret 2019 sampai 2 April 2019 dengan variasi arah mata angin  tiap  45 o ,  kecepatan  angin  tiap  1  km/jam,  dan ketinggian.  Acuan  yang  digunakan  yaitu  yang  dominan berhembus  pada  ketinggian  10  m  dan  80  m.  Kemudian kecepatan  angin  tersebut  dijumlahkan  dengan  kecepatan pesawat  karena diasumsikan arah terbang pesawat melawan arah kecepatan angin, data kecepatan total dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1.
Kecepatan UAV tiap manuver Manuver Kecepatan (km/jam) Angin UAV Total Take off 13 54 67 Cruise 17 54 71 Landing 13 50 63
Setelah  mendapatkan  data  kecepatan  angin,  langkah selanjutnya yaitu mencari nilai-nilai gaya pada sayap pesawat dengan menggunakan software X-Foil . Fungsi dari software ini  adalah  untuk  mendapatkan  nilai  dari  koefisien  angkat, koefisien hambat, dan koefisien momen dari airfoil keluarga NACA ,  dengan  mendefinisikan  parameter  yang  akan dimasukkan  ke  dalam software  X-Foil adalah Reynold number (Re) dan mach number (ma) , dan sudut serang yang diinginkan dari tiap manuver dan didapatkan output koefisien angkat (cl), koefisien hambat (cd) dan koefisien momen (cm) seperti pada Tabel 2.
Tabel 2.
Input dan Output Software X-foil Manuver Re ma Cl cd cm Take off 24 x 10 6 0,0536 1,976 0,0205 -0,065 Cruise 26,6 x 10 6 0,0568 0,948 0,0061 -0,107 Landing 22,5 x 10 6 0,048 1,972 0,0207 -0,064
Dengan  menggunakan  persamaan  1  untuk  mengetahui besar  gaya  angkat  total  pada  sayap  dan  persamaan  2 digunakan  untuk  mendapatkan  total  gaya  hambat  (Fd)  dari sayap pesawat [4].
𝐹𝑙  = 𝜌.𝐴.𝑉.𝑉.𝐶𝑙
2 (1)
𝐹𝑑  = 𝜌.𝐴.𝑉.𝑉.𝐶𝑑 2 (2)
Sehingga  didapatkan  hasil  gaya  angkat  sayap  pada manuver take off, cruise dan landing seperti pada Tabel 3.
Tabel 3. Fl dan Fd tiap manuver. Manuver Fl (N) Fd (N) Take off 487,915 5,061 Cruise 262,977 1,699 Landing 430,566 4,536

## D. Simulasi Pembebanan
Jenis  permodelan  yang  akan  digunakan  pada  optimasi topologi  terhadap  Sayap UAV  Wing  Fixed ini  adalah Static Structural. Analisa Static Structural dipilih untuk mengetahui batas kemampuan suatu benda dengan geometri dan  material  tertentu  ketika  diberikan  beban  tekan,  tarik, momen bending , maupun momen puntir. Tahap awal  yaitu  melakukan input karakteristik  material. Untuk  material ribs menggunakan  penginputan  manual karena  tidak  terdapat  material  kayu  balsa  pada engineering bar sesuai  dengan  properti  material  kayu  balsa.  Kayu merupakan  material  yang  bersifat orthotropic ,  yang  mana memiliki sifat unik dan memiliki sifat mekanik yang berbeda- beda  terhadap  tiga  sumbu  yang  berbeda-beda.  Tiga  sumbu tersebut  yaitu  longitudinal,  radial,  dan  tangensial.  Properti material kayu balsa disesuaikan dengan arah serat kayu pada ribs. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 7. Untuk material spar , didefinisikan menggunakan properti material  alumunium  yang  sudah  terdapat  pada engineering bar. Setelah  itu  dilakukan  permodelan  geometri  dengan software  Autodesk  Inventor .  Kemudian  diinput  di software
ANSYS Workbench 18.0 , geometri sayap yang akan dianalisa dapat dilihat seperti pada Gambar 9.
Gambar 7. Properti Material kayu balsa
Gambar 9. Model geometri sayap UAV Fixed Wing .
Variasi meshing dilakukan dengan relevance  center  fine, method uniform dan element size 3,5 mm sehingga didapatkan average  mesh  metrics 74,56%  yang  sudah  dilakukan  uji konvergensi dengan hasil meshing seperti pada Gambar 10.
Gambar 10. Meshing pada geometri sayap UAV.
Kemudian  dilakukan input kondisi  batas  pada ribs yang terhubung dengan fuselage dari UAV yaitu rib pertama seperti pada Gambar 11 .
Gaya  terdistribusi  yang  bekerja  yang  sesuai  dengan  hasil koefisien  tekanan software  X-Foil diinputkan  pada Load Condition software ANSYS . Gaya dimasukkan setiap 10 mm di  seluruh  permukaan airfoil pada  geometri.  Gaya  diinput sesuai dengan kondisi tiap pesawat bermanuver yaitu take off , cruise, dan landing pada tiap titik seperti Gambar 12.
Gambar 12. Letak titip gaya agkat terdistribusi sesuai grafik Cp.
Dari  gaya-gaya  tersebut  dilakukan  simulasi Static Structural dengan  hasil  distribusi  tegangan  dari  seluruh rib seperti pada Gambar 13.
Gambar 13. Distribusi Tegangan Masing-masing Rib .
Nilai  tegangan  masing-masing rib menurun  seiring posisinya  yang  semakin  mendekati wing  tip ,  hal  ini  sesuai teori  bahwa  semakin  kecil  lengan  moment  dimana  dihitung dari wing  tip atau  ujung  sayap  sampai  ke rib yang  akan dianalisa,  sehingga  didapatkan  grafik  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 14. Grafik Distribusi Tegangan Masing-masing Rib .

## E. Optimasi Topologi Ribs
Optimasi  topologi  diawali  dengan  menentukan  bagian mana yang akan dioptimasi atau biasa dikenal dengan design region  dan  bagian  mana  yang  dipertahankan  atau  dikenal exclusion  regio.  Bagian  design  region  meliputi  seluruh  isi atau  volume  dari  ribs  terpilih  atau  pada  gambar  yang ditunjukkan dengan warna biru, dan bagian exclusion region meliputi luasan lubang-lubang sebagai spar utama dan spar support .
Dilanjutkan  dengan  proses  pendefinisian  besar  massa  rib yang  ingin  dipertahankan  atau  biasa  dikenal  dengan  massa retain.  Massa  retain  dinyatakan  dengan  presentase.  Pada penelitian  ini,  penulis  memilih  variasi  massa  retain  sebesar 80%, 70%, 60%, dan 50%.
Setelah  massa  retain  ditentukan  sebesar  80%  dan dilakukan solving pada  simulasi  tersebut,  maka  didapatkan geometri  rib  seperti  pada  Gambar  15  dimana  urutan  yang teratas merupakan rib 1 yaitu rib yang berada di dekat dengan fuselage sampai  dengan rib ke  12.  Pada  hasil  optimasi tersebut  masih  terdapat  bagian  geometri  yang  masih  kasar, sehingga  perlu  dilakukan  smoothing  atau  memperhalus  dan mendesain ulang geometri model agar desain tersebut dapat realistis  untuk  dilakukan  manufaktur.  Hasil  dari  proses smoothing ini ditunjukkan pada Gambar 16.
Gambar 15. Hasil Simulasi Optimasi Topologi dengan  Variasi 80% Massa Retain
Gambar 16. Hasil Redesign pada Rib dengan Massa Retain 80%
F. Simulasi  Hasil  Topologi  dengan  masing-masing  variasi 50%, 60%, 70%, dan 80%
Langkah-langkah  simulasi static structural pada simulasi tahap akhir ini sama dengan langkah-langkah pada simulasi tahap awal. Dengan pemilihan meshing uniform dan ukuran maksimum  elemen  sebesar  3.5  mm,  dimana  settingan
meshing yang digunakan ini akan digunakan untuk geometri dengan  variasi  yang  lainnya  juga  yaitu  pada  massa  retain 50%,  60%,  70%,  80%  untuk  didapatkan  grafik  pengaruh pengurangan massa terhadap kenaikan tegangan rib . Variasi rib pada  optimasi  topologi  80%  selanjutnya dijadikan  satu-kesaatuan  menjadi  satu  sayap  penuh  dengan dimensi  2400x300  mm,  dan  dilakukan reassembly menggunakan  software inventor dimana  terdapat  4  elemen seperti pada simulasi tahap awal yaitu berupa spar, support spar,  ribs, dan stressed  skin dimana  setiap  material  akan didefinisikan  propertisnya  pada  software ANSYS. Hasil  dari simulasi static  structure pada  variasi  topologi  dengan  80% massa retain dapat  dilihat  pada  Gambar  17  berikut  yang mempunyai nilai tegangan  maksimum sebesar 14.848 Mpa, tegangan  maksimum  ini  masih  berada  di  bawah  tegangan yang diijinkan yaitu sebesar 18 MPa.
Hasil  dari  simulasi static  structure pada  variasi  topologi dengan  70%,  60%  dan  50%  massa retain .  Dimana  variasi 70%  sampai  dengan  50%  mempunyai  nilai  tegangan maksimum  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  17  yaitu grafik  pengurangan  massa  terhadap  kenaikan  tegangan maksimum,  dimana  variasi  topologi  dengan  50%  massa retain memiliki tegangan maksimum melebihi tegangan yang diijinkan  material  kayu  balsa  sehingga  akan  mengalami failure .
Gambar  17.  Grafik  Pengurangan  Massa  Topologi  Terhadap  Tegangan Maksimum
Gambar  18.  Grafik Aeroelasticity pada  Sayap  dengan  Optimasi  Topologi 60% Massa Retain
Selain  tegangan  maksimum  sebagai  batasan  optimasi topologi, deformasi dari sayap juga akan mempengaruhi gaya angkat  yang  juga  menjadi  batasan  optimasi  topologi  ini. Dengan  deformasi  maksimum  yang  terjadi  di  ujung  sayap atau  rib  ke  10  dimana  pada  leading  edge  dan  trailling  edge memiliki  nilai  yang  berbeda,  sehingga  akan  menghasilkan sudut serang pada airfoil yang berbeda juga. Perubahan sudut serang maksimum terjadi pada rib  ke-9 yaitu sebesar 0.0550 dimana  batasan  terjadinya  stall  adalah  pada  sudut  180  , karena  airfoil  yang  dipilih  memiliki  momen  ke  arah  nose down maka sudut serang mengalami penurunan yaitu sebesar
0.0550  dimana  pada  sudut  serang  yang  diakibatkan  oleh fenomena  ini  atua  dapat  disebut  juga  dengan  aeroelasticity masih  memiliki  nilai  gaya  angkat  yang  sama  sehingga optimasi  topologi  dengan  variasi  60  persen  massa  yang dipertahankan tidak melewati batasan aeroelasticity.

## III. KESIMPULAN
Hasil  sebelum  dilakukan  simulasi  optimasi  topologi menunjukkan  besarnya  nilai  dari  tegangan  maksimum sebesar 14.551 MPa dan total deformasi maksimum sebesar 92.55 mm.
Hasil setelah dilakukan simulasi optimasi topologi dengan variasi  mass  percent  to  retain  sebesar  50%,  60%,  70%,  dan
80%  yang  merupakan  desain  terbaik  adalah  sayap  dengan 60%  massa  retain  dengan  tegangan  maksimum  sebesar 16.771 MPa dan deformasi total sebesar 99.364 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] J. L. Katz, P. Spencer, Y. Wang, A. Misra, O. Marangos, and L. Friis, “On the anisotropic elastic properties of woods,” J. Mater. Sci. , vol. 43, no. 1, pp. 139–145, 2008.
[2] J.  Cutler, Understanding  Aircraft  Structures .  Oxford,  England: Blackwell Scientific, 1981.
[3] D. W. Green, J. E. Winandy, and D. E. Kretschmann, “Mechanical Properties of Wood,” Madison, Wisconsin, 1999.
[4] B. Toson, P. Viot, and J. J. Pesqué, “Finite element modeling of Balsa  wood  structures  under  severe  loadings,” Eng.  Struct. ,  vol. 70, pp. 36–52, 2014.