## SIMULASI TEGANGAN PROPELLER Al-Mg YANG DIRANCANG UNTUK PROPELLER RENDAH BISING
Yogi Adiansyah 1 , Ikhwansyah Isranuri 2 , Alfian Hamsi 3 , M. Sabri 4 , Bustami Syam 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : aldiansyahyogi10@yahoo.co.id

## ABSTRAK
Salah  satu  bagian  dari  pesawat  UAV  adalah  propeller,  dimana  fungsi  propeller  ini  adalah sebagai  gaya  dorong  ( trush )  bagi  sebuah  pesawat.  namun  dalam  sebuah  propeller  terdapat  gaya dorong  yang  menyebabkan  terjadi  beberapa  macam  tegangan  yang  terjadi  propeller  Untuk mempermudah  mendapatkan  tegangan,  regangan  dan  deformasi  yang  terjadi  pada  bilah  propeller maka  dilakukan  simulasi  aliran  maupun static  structural yang  merupakan  tujuan  dari  penelitian  ini. Kegunaan  dilakukannya  simulasi  ini  adalah  untuk  mendapatkan  nilai  tegangan,  regangan  dan deformasi yang terjadi pada setiap elemen propeller. Dalam hal ini setiap bagian pada propeller akan mendapatkan  tegangan  yang  berbeda  pada  setiap  titik.  Dalam  melakukan  simulasi  pada  propeller peneliti menggunakan software ansys 15.0 yaitu fluent dan static structural dengan variasi kecepatan fluida sebesar 10 – 50 m/s. Propeller dibagi dalam 198827 meshing yang dilakukan di fluent, setelah hasil  aliran  didapat  maka  hasil  tersebut  menjadi  input  di  uji static  structural. Dari  hasil  uji static structural deformasi, tegangan dan regangan yang didapat pada kecepatan 10 m/s sebesar 2.9742x10 - 7 m,  1.2676  x  10 -6 dan51.46  Pa.  pada  kecepatan  20  m/s  sebesar  1.0941  x  10 -6 m,  4.6729  x  10 -6 dan 19134 Pa. pada kecepatan 30 m/s sebesar 2.1874 x 10 -6 m, 9.3428x10 -6 dan 38322 Pa. pada kecepatan 40 m/s sebesar 3.5028x10 -6 ,3.5028x10 -6 dan 1.4962x10 -5 .Pada kecepatan 50 m/s sebesar 5.0521 x 10 -6 m, 2.1581 x 10 -5 dan 89077 Pa. Hasil pengujian ini menunjukkan bahwa deformasi yang paling besar terjadi  pada  bilah  propeller  terletak  pada  bagian  terluar  propeller  sedangkan  regangan  dan  tegangan yang terjadi pada bilah propeller terletak pada bagian hub propeller.
Kata kunci : Propeller, fluent, static structural, meshing, tegangan propeller.

## 1. PENDAHULUAN
Indonesia  merupakan  negara  kepulauan  yang  sangat  luas  dengan  luas  seluruhnya 5.193.250  km 2 ,  dan  hampir  dua  pertiga  wilayah  Indonesia  merupakan  wilayah  perairan dengan  luas  mencapai  3.287.010  km 2 .  Luas  wilayah  tersebut  memiliki  resiko  tersendiri dari segi pengamanan wilayah teritorial. Hal tersebut menuntut pemerintah dan jajarannya (  baik  pemerintah  daerah,  TNI,  POLRI)  mengeluarkan  sumber  daya  yang  banyak  untuk menjaga  dan  keamanan  wilayah  kesatuan  Negara  Republik  Indonesia.  Berdasarkan kenyataan tersebut, sangat diperlukan untuk mengembangkan sebuah pesawat udara tanpa awak ( Unmanned Aerial Vehicle atau disingkat  UAV) yang bertujuan sebagai pendukung pertahanan  keamanan  nasional  dan  pengintaian.  Hal  ini  diharapkan  dapat  menekan  biaya dan  sumber  daya  terhadap  pengawasan  pertahanan  dan  keamanan  wilayah-wilayah Indonesia.  Pesawat  udara  tanpa  awak  ( Unmanned  Aerial  Vehicle) merupakan  sebuah wahana terbang yang dikendalikan dari jarak jauh untuk melakukan misi tertentu. [2]
Salah satu bagian dari pesawat UAV adalah propeller, dimana fungsi propeller ini adalah sebagai gaya dorong ( trush ) bagi sebuah pesawat , namun dalam sebuah propeller terdapat gaya dorong yang menyebabkan terjadi beberapa macam tegangan yang terjadi propeller, untuk mengetahui hal tersebut maka dilakukan simulasi pada propeller untuk mengetahui
tegangan yang terjadi pada bilah propeller dan dapat mendapatkan berapa besar tegangan, regangan dan deformasi yang terjadi pada setiap titik/elemen pada propeller.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## Pesawat Tanpa Awak (UAV)
Pesawat tanpa awak (UAV) adalah sebuah mesin terbang yang berfungsi  dengan  kendali jarak  jauh  oleh  pilot  atau  mampu  mengendalikan  dirinya  sendiri,  menggunakan  hukum aerodinamika untuk mengangkat dirinya, bisa di gunakan kembali dan mampu membawa muatan  baik  senjata  maupun  muatan  lainnya.  Penggunaan  terbesar  dari  penggunaan pesawat  ini  adalah  di  bidang  militer  .  Pesawat  tanpa  awak  memiliki  bentuk,  ukuran, konfigurasi  dan  karakter  bervariasi.  Sejarah  pesawat  tanpa  awak  adalah drone ,  pesawat tanpa  awak  yang  digunakan  sebagai  sasaran  tembak.  Perkembangan  kontrol  otomatis membuat  pesawat  sasaran  tembak  yang  sederhana  mampu  merubah  menjadi  pesawat tampa awak yang kompleks.[2]

## Sistem Propulsi
Setiap  kendaraan  membutuhkan  sesuatu  yang  menghasilkan  gerak,sesuatu  yang mendorong  kendaraan  tersebut  dan  memberikan  percepatan.    Sistem  propulsi  merupakan mekanisme penggerak pada setiap pesawat udara. Gaya yang bekerja pada sistem propulsi merupakan penerapan dari hukum kedua Newton. [3]

## Gaya Yang Terjadi Pada Propeler
Pada umumnya terdapat tiga jenis gaya yang terjadi pada saat sebuah propeler beroperasi. Berikut adalah gaya – gaya tersebut.

## a. Thrust
Sebelum pesawat mulai bergerak, thrust harus digunakan. Pesawat akan tetap bergerak dan bertambah  kecepatannya  sampai  thrust  dan  drag  menjadi  sama  besar.  Untuk  menjaga kecepatan yang tetap maka thrust dan drag harus tetap sama, seperti halnya lift dan weight harus  sama  untuk  mempertahankan  ketinggian  yang  tetap  dari  pesawat.  Jika  dalam penerbangan  yang  datar  (level),  gaya  thrust  dikurangi,  maka  pesawat  akan  melambat. Selama thrust lebih kecil dari drag, maka pesawat akan terus melambat sampai kecepatan pesawat  (airspeed)  tidak  sanggup  lagi  menahan  pesawat  di  udara.  Sebaliknya  jika  tenaga mesin  ditambah,  thrust  akan  menjadi  lebih  besar  dari  drag,  pesawat  terus  menambah kecepatannya.  Ketika  drag  sama  dengan  thrust,  pesawat  akan  terbang  dengan  kecepatan yang tetap.[4]
b. Gaya Sentrifugal (Centrifugal Force) Gaya sentrifugal disebabkan oleh gaya rotasi dari propeler dan cenderung untuk melempar baling – baling dari pusat, gaya sentrifugal merupakan gaya gerak melingkar yang berputar menjauhi pusat lingkaran dimana nilainya adalah positif
Fs = m v 2 /r
Dimana  : m =  massa v  =  kecepatan semtrifugal r  =  Jari – jari
c. Gaya Torsi atau Twist Edisi Cetak Jurnal Dinamis, September
Analog
rotational
dari gaya, masa, dan percepatan adalah
torsi, momen inersia dan percepatan angular  Gaya yang bekerja pada lever, dikalikan dengan jarak dari titik  tengah  lever,  adalah  torsi.  Contohnya,  gaya  dari  tiga newton bekerja  sepanjang dua meter dari  titik  tengah  mengeluarkan  torsi  yang  sama  dengan  satu  newton  bekerja sepanjang enam meter dari titik tengah. Ini menandakan bahwa gaya dalam sebuah sudut pada sudut  yang  tepat kepada  lever  lurus.  Lebih  umumnya,  seseorang  dapat mendefinisikan torsi sebagai perkalian silang.[1]
T = r x F
Dimana : r  = vektor dari axis putaran ke titik   di mana gaya bekerja F = adalah vektor gaya

## Metode Elemen Hingga
Metode  elemen  hingga  merupakan  salah  satu  metode  numerik  yang  dapat  di  gunakan untuk menyelesaikan masalah struktural, thermal dan elektromagnetik. Dalam metode ini seluruh  masalah  yang  kompleks  seperti  variasi  bentuk,  kondisi  batas  dan  beban  dapat  di selesaikan dengan metode pendekatan. Karena keaneka ragaman dan fleksibilitas sebagai perangkat analisis, metode ini. Variabel  dasar  atau variabel  medan yang  tidak di  ketahui yang  di  tentukan  dalam  masalah    teknik  adalah  pergeseran  dalam  mekanik  solid, kecepatan  dalam  mekanika  fluida,  potensial  listrik  dan  magnet  dalam  teknik  listrik  dan suhu  dalam  aliran  panas  .  secara  kontinu  variabel  yang  tidak  diketahui  ini  tidak terbatas.[5]

## Tegangan Bending (Bengkok)
Merupakan  tegangan  Merupakan  tegangan  yang  diakibatkan  oleh  bekerjanya  momen lentur  pada  benda.  Sehingga  pelenturan  benda  disepanjang  sumbunya  menyebabkan  sisi bagian  atas  tertarik,  karena  bertambah  panjang  dan  sisi  bagian  bawah  tertekan,  karena memendek.  Dengan  demikian  struktur  material  benda  di  atas  sumbu  akan  mengalami tegangan  tarik,  sebaliknya  dibagian  bawah  sumbu  akan  menderita  tegangan  tekan. Sedangkan daerah diantara permukaan atas dan bawah, yaitu yang sejajar dengan sumbu benda tetap, tidak mengalami perubahan, ini disebut sebagai bidang netral. Persamaan umum tegangan lentur, adalah :
M L /  I  =  L / y  =  E  / R
Dimana  : I    =  inersia pada sumbu benda  (I xx atau I yy ).
Y = jarak dari bidang netral ke   permukaan luar benda. E   =  modulus elastisitas / Young.
R    =  radius kelengkungan benda

## Tegangan Torsi (Torsion Stress)
Torsi adalah suatu pemuntiran sebuah batang yang diakibatkan oleh kopelkopel (couples) yang  menghasilkan  perputaran  terhadap  sumbu  longitudinalnya.  Kopel-kopel  yang Edisi Cetak Jurnal Dinamis, September
menghasilkan pemuntiran sebuah batang disebut momen putar (torque) atau momen puntir (twisting moment).[4]

## Gambar 2.1 Diagram Momen Kopel pada Batang

## Tegangan Puntir
Bila sebatang material mendapat beban puntiran, maka serat-serat antara suatu penampang lintang  dengan  penampang  lintang  yang  lain  akan  mengalami  pergeseran,  seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Batang Silindris dengan Beban Puntiran.

## Deformasi
Dalam ilmu material,  deformasi adalah perubahan bentuk atau ukuran dari sebuah objek karena    Sebuah diterapkan gaya (energi deformasi dalam hal ini ditransfer melalui kerja) atau Perubahan suhu (energi deformasi dalam hal ini ditransfer melalui panas). Deformasi terdiri dari dua bagian,yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis.
Deformasi  elastis  adalah perubahan  bentuk  material  yang  apabila  gaya  penyebab deformasi itu dihilangkan maka deformasi kembali ke bentuk semula.[6]

## Regangan
Suatu  batang  lurus  akan  mengalami  perubahan  panjang  apabila  dibebani  secara  aksial, yaitu  menjadi  panjang  jika  mengalami  tarik  dan  menjadi  pendek  jika  mengalami  tekan. Sebagai contoh diperlihatkan pada Gambar 2.14, perpanjangan dari batang tersebut adalah hasil komulatif dari perpanjangan semua elemen bahan di seluruh volume batang.
ε = ΔL/L
Dimana : ε = Regangan
Δ L =  Pertambahan panjang L =  Panjang awal

## ANSYS Simulation
ANSYS  adalah sebuah software  analisis elemen hingga dengan kemampuan menganalisa dengan  cakupan  yang  luas  untuk  berbagai  jenis  masalah  (  Tim  Langlais,  1999).  ANSYS mampu  memecahkan  persamaan  differensial  dengan  cara    memecahnya  menjadi  elemen- elemen  yang  lebih  kecil.      Pada  awalnya  program  ini  bernama  STASYS  (Structural Analysis  System),    kemudian  berganti  nama  menjadi  ANSYS  yang  ditemukan  pertama kali oleh Dr.  John Swanson pada tahun 1970.
ANSYS  merupakan  tujuan  utama  dari  paket  permodelan  elemen  hingga      untuk secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah yang  ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan non-linear),  distribusi panas
dan  masalah  cairan,  begitu  juga  dengan  ilmu  bunyi  dan  masalah    elektromagnetik. Teknologi  ANSYS  mekanis  mempersatukan  struktur  dan  material  yang    bersifat  non- linear. ANSYS multiphysic juga mengatasi masalah panas, struktur,  elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat digunakan dalam teknik  sipil, teknik listrik, fisika dan kimia.

## a. ANSYS Fluent
FLUENT  ialah  salah  satu  software  CFD  dari  ANSYS.  Ansys  merupakan  sebuah software  analisis  elemen  hingga  (finite  element),  bisa  dipakai  untuk  melakukan  analisis mekanika  benda  tegar,  analisis  fluida,  dan  analisis  perpindahan  panas.  Sebuah  sumber mengatakan bahwa versi 12 keatas sudah kompatibel dengan Windows 7
b. Static Structural
Struktural  analisis  merupakan  analisa  yang  paling  banyak  digunakan  dengan menggunakan  prinsip  finite  element.  Struktural  tidak  hanya  digunakan  untuk  struktur dalam  teknik  sipil  seperti  jembatan,  gedung,  tetapi  meliputi  unsur  lain  seperti  kapal, pesawat, piston, dll.
Ada  beberapa  macam  jenis  simulasi  static  struktural,  dimana  pada  program  ansys  akan terdapat perhitungan tegangan dan regangan. Static analisis digunakan untuk menentukan dan menganalisa tegangan dan menentukan displacements benda pada beban static. Static analisis dapat digunakan pada linier maupun nonlinier static analisis.

## 3. METODOLOGIPENELITIAN
Penelitian  ini  direncanakan  berlangsung  selama  ±  6  bulan.  Penelitian  ini  dilaksanakan  di Laboratorium Noise and Vibration Control program Magister dan Doktoral Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

## Bahan dan Alat Penelitian
Adapun bahan yang di gunakan dalam penelitiana ini adalah 1. Propeller
Propeller yang di gunakan dalam penelitian ini adalah propeler Al-Mg yang memiliki dua bilah.
Gambar 3.1 Propeler clark y

## Peralatan Yang Digunakan
Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis distribusi tegangan pada propeller UAV ini adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut
Processor : Intel Core i3
RAM : 6 GB CPU : 2,4 GHz System : Windows 7 64 – bit
VGA
: ATI Mobility Radeon Software  : Ansys 15.0

## Spesifikasi Data Propeller
Pengerjaan  penelitian  ini  memiliki  spesifikasi  data  –  data  yang  penting  untuk  proses analisa.  Beberapa  bentuk  data  yang  paling  dibutuhkan  seperti  diameter  propeler,  jumlah blade, tipe blade dan data lainnya telah disesuaikan dengan kajian anggota tim UAV DIMENSI
Rentang sayap :  400 mm
Total panjang :  800 mm Tinggi :   80 mm PROPELLER Material Aluminium Alloys (Al-Mg) Number of blade
:   2

## Variabel Penelitian
Pada  penelitian  ini  ditentukan  dua  buah  variable  penelitian,  yakni  variable  terikat  dan variable bebas.

## Variabel Terikat
Untuk  menyederhanakan  permasalahan  dalam  kajian  kebisingan  pada  propeler,  maka dalam penelitian ini ditetapkan variable terikat yakni: 1. Sudut airfoil 2. Sifat udara 3. Sifat mekanik bahan

## Variabel Bebas
Variable  bebas  pada  penelitian  ini  merupakan  pengaruh  yang  diakibatkan  oleh  adanya variabel terikat dan ditetapkan yaitu kecepatan fluida.

## Spesifikasi Fluida
Spesifikasi fluida pada saat melakukan pengujian adalah udara bebas dan juga diperlukan untuk analisi simulasidalam penelitian ini, berikut adalah properties udara : 1. Jenis Fluida : Udara atmosfer 2. Tekanan Fluida: 101325 Pa

## 4. ANALISA DATA
Pada  pengujian  simulasi  dilakukan  pengujian  Fluent  (aliran)  guna  mendapatkan  aliran udara yang terjadi pada propeller.

## Hasil Pengujian Fluent
Pada  pengujian  simulasi  dilakukan  pengujian  Fluent  (aliran)  guna  mendapatkan  aliran udara yang terjadi pada propeller.

## 1. Deformasi
a. Kecepatan 10 m/s
b. Kecepatan 20 m/s
c. Kecepatan 30 m/s
d. Kecepatan 40 m/s
e. Kecepatan 50 m/s
Dari deformasi yang terjadi dapat dilihat bahwa total deformasi maksimum pada propeller terjadi  pada  ujung  blade  propeller.  Pada  gambar  diatas,  terlihat  perbedaan  warna  pada bilah propeller. Ujung propeller memiliki kontur warna merah. Ini berarti yang mengalami perubahan bentuk terakhir ialah ujung propeller tersebut. Perubahan bentuk yang pertama terjadi  adalah  pangkal  propeller  yang  melekat  pada  hub.kecepatan  fluida  10  m/s  adalah sebesar  2.9742  x  10 -7 m,  kecepatan  fluida  20  m/s  adalah  sebesar  1.0941  x  10 -6 m, kecepatan  fluida  30  m/s  adalah  sebesar  1.0941  x  10 -6 m  1,0941  x  10 -6 ,  kecepatan  40 sebesar 3.2028x10 -6 ,kecepatan 50 sebesar 5.0521x10 -6 .
2. Regangan a. Kecepatan 10 m/s
c. Kecepatan 30 m/s
d. Kecepatan 40 m/s
e. Kecepatan 50 m/s
Dari hasil deformasi yang terjadi dapat dilihat bahwa regangan maksimum pada kecepatan fluida 10 m/s adalah  sebesar 1.2676 x 10 -6 m/m  ,kecepatan 20 m/s sebesar 3.157 x  10 -6 ,
kecepatan 30 m/s sebesar 4.6729 x 10 -6 , kecepatan 40 m/s sebesar 1.4967x10 -5 , kecepatan 50 m/s sebesar 2.1581x10 -5 ,

## 3. Tegangan
a. Kecepatan 10 m/s
b. Kecepatan 20 m/s
c. Kecepatan 30 m/s
d. Kecepatan 40 m/s Edisi Cetak Jurnal Dinamis, September
e. Kecepatan 50 m/s
Dasi hasil pengujian dapat dilihat bahwa tegangan maksimum bagian sambungan propeller pada kecepatan fluida 10 m/s adalah sebesar 51.46 Pa, kecepatan 20 m/s sebesar 1.2676 x 10 -6 Pa,  kecepatan  30  m/s  sebesar  89077  Pa,  kecepatan  40  m/s  sebesar  61606  Pa, kecepatan 50 m/s sebesar 89077 Pa

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Dari  hasil  analisa  data  simulasi  maka  didipatkan  tiga  hasil  kesimpulan  sebagai berikut :
1. Semakin tinggi laju aliran fluida pada propeller maka tegangan yang terjadi pada bilah propeller  semakin  besar.  Dimana  tegangan  terendah  berada  pada  kecepatan  10  m/s dengan  nilai  51.46  Pa,  dan  tegangan  tertinggi  pada  kecepatan  50  m/s  dengan  nilai 89077 Pa
2. Total deformasi yang paling besar pada kecepatan 10 m/s – 50 m/s adalah pada bagian ujung bilah propeller dengan nilai minimum sebesar 2.97 x 10 -7 m dan nilai deformasi maksimum pada kecepatan 50 m/s sebesar 5.0521 x 10 -6 .
3. Regangan yang paling besar pada propeller terdapat pada bagian hub propeller dengan nilai  regangan  minimum  sebesar  1.2676  x  10 -6 dan2.1581  x  10 -5 nilai  regangan maksimum pada 50 m/s sebesar 2.1581 x 10 -5 .

## Saran
Adapun saran yang diberikan pada penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut: 1. Meakukan uji simulasi yang sama dengan menggunakan propeller 4 blade 2. Lebih teliti dalam memasukkan nilai spesifikasi fluida pada software ansys 15.0 3. Menggunakan paduan material yang lebih kuat dan elastis

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Anderson Jr, Jhon D. 1999 . Fundamental of Aerodyamics. Boston : Mc.Graw-Hill.
[2]  Ardhianto  ,  Kurniawan.  2011.  Desain  dan  Analisis Propeller pada Unmanned  Aerial Vehicle (UAV) . AAU Journal of Defense Science and Technology Volume 2, Number 1, 1 July 2011, 125 – 133.
[3]  Barron,Randall  F . 2001. Industrial  Noise  Control  and  Acoustics. New-York.  :Marcel Dekker, Inc
[4] Clancy,L.J 1975. Aerodynamics. London : Pittman Publishing Limitted
[5]  JR,  William  Weaver  and  Paul  R.  Johnston.  1993.  Elemen  Hingga  Untuk  Analisis Struktur. Bandung : Eresco
[6]  Omotoyinbo,J.,A  dan  Oladele,I.,O,  2010, “The  Effect  of  Plastic  Deformation  and Magnesium Content on the Mechanical Properties of 6063 Aluminium Alloys” , Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol.9, No.6, pp.539.546, USA.