## PENGARUH DIAMETER BAUT TERHADAP KEKUATAN RANGKA MAIN LANDING GEAR PESAWAT UAV MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

## Lasinta Ari Nendra Wibawa
Balai Uji Teknologi dan Pengamatan Antariksa dan Atmosfer Garut Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) Jln. Cilauteureun, Cikelet, Garut 44177 e-mail: lasinta.ari@lapan.go.id

## Abstrak
Penelitian  ini  mengkaji  tentang  pengaruh  diameter  baut  terhadap  kekuatan  rangka main  landing  gear untuk pesawat  UAV  menggunakan  metode  elemen  hingga.  Analisis  statik  linear  dilakukan  menggunakan software Autodesk  Inventor  Professional  2017.  Material  rangka main  landing  gear menggunakan  Aluminium  paduan 5083. Pesawat UAV memiliki berat 75 kg dengan kecepatan landing 10 m/s dan waktu impak 0,5 detik. Variabel diameter  baut  yaitu  11  mm,  12  mm,  13  mm,  dan  14  mm.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  tegangan Von Mises untuk diameter baut  11 mm, 12  mm, 13  mm, dan 14  mm  berturut-turut  yaitu 82,092 MPa, 85,113 MPa, 85,141  MPa,  dan  85,340  MPa.  Nilai  deformasi  untuk  diameter  baut  11  mm,  12  mm,  13  mm,  dan  14  mm berturut-turut yaitu 2,173 mm, 2,185 mm, 2,194 mm, dan 2,204 mm. Nilai faktor keamanan untuk diameter baut 11 mm, 12 mm, 13 mm, dan 14 mm berturut-turut yaitu 3,472, 3,349, 3,347, dan 3,340. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa diameter baut terbaik adalah berukuran 11 mm.
Kata  kunci: Aluminium  5083,  Autodesk  Inventor  2017,  Analisis  Elemen  Hingga, Main  Landing  Gear , Diameter Baut

## Abstract
This study examined the effect of bolt diameter on the strength of the main landing gear frame for UAV aircraft using the finite element method. Linear static analysis was carried out using the Autodesk Inventor Professional 2017  software.  Main  landing  gear  frame  using  Aluminum  alloy  5083.  UAV  aircraft  weighed  75  kg  with  a landing speed of 10 m / s and an impact time of 0.5 seconds. Variables of bolt diameter were 11 mm, 12 mm, 13 mm and 14 mm. The simulation  results show that  Von  Mises stress for bolt diameters 11 mm, 12 mm,  13 mm, and 14 mm were 82.092 MPa, 85.113 MPa, 85.141 MPa and 85.340 MPa respectively. Deformation values for bolt  diameters  of  11  mm,  12  mm,  13  mm,  and  14  mm  respectively  were  2.173  mm,  2.185  mm,  2.194  mm  and 2.204  mm.  The  safety  factor  values  for  bolt  diameters  were  11  mm,  12  mm,  13  mm,  and  14  mm  respectively, which  are  3.472,  3.349,  3.347,  and  3.340.  From  the  simulation  results  it  can  be  concluded  that  the  best  bolt diameter was 11 mm in size.
Keywords: Aluminum  5083,  Autodesk  Inventor  2017,  Finite  Element  Analysis,  Main  Landing  Gear,  Bolt Diameter

## 1. Pendahuluan
Sekarang  ini  UAV ( Unmanned Aerial  Vehicle ) atau  Drone  telah  digunakan  di  berbagai  aplikasi seperti  industri  militer, transportasi  kargo  komersial, dan  pemetaan[1].  Pesawat  UAV  juga  sering digunakan  dalam  berbagai  misi  penyelamatan  dan mitigasi  bencana  saat  terjadi  letusan  gunung  berapi, banjir, tanah longsor, dan gempa bumi karena cukup efisien dan aman.
Landing  gear merupakan  salah  satu  komponen yang  sangat penting dalam konstruksi pesawat UAV [2][3][4][5][6]. Landing  gear adalah  struktur pendukung  utama  pesawat  saat  mendarat  ( landing )
dan  lepas  landas  ( take  off ). Landing  gear ada beberapa jenis, yaitu tail-wheel , tandem , dan tricycle . Tricycle landing gear adalah jenis landing gear yang  terdiri  dari  2  (dua)  roda  utama  ( main  landing gear ) pada bagian tengah yang merupakan pendukung  beban  UAV  dan  1  (satu)  roda  pada bagian  depan  atau  hidung  pesawat  ( nose  landing gear )  yang  berfungsi  mengontrol  manuver  dari pesawat. Tricycle  landing  gear adalah  jenis  yang paling  banyak digunakan pada pesawat UAV karena distribusi  beban  UAV  lebih  merata  sehingga pergerakan  jauh  lebih  stabil  dan  aman,  tidak terpengaruh  lintasan angin  yang  bergerak  melintang, mengurangi bising saat pengereman, dan
meminimalkan terjadinya ground-looping . Sambungan  mekanik  seperti  baut  dan  paku keling  ( rivet )  pada  komponen  dapat  mengurangi kekuatannya.  Hal  ini  disebabkan  karena  adanya konsentrasi  tegangan  pada  lubang  sambungan. Kondisi  ini  juga  berlaku  pada  komponen main landing  gear. Sambungan  mekanik  yang  digunakan untuk menyambung main landing gear dengan badan pesawat  UAV  akan  mengurangi  kekuatan  dari komponen tersebut.
Material rangka main landing gear menggunakan  Aluminium  paduan  5083  yang merupakan  material  ringan,  titik  cair  rendah, fabrikasi  yang  murah,  dan  tahan  korosi.  Aluminium 5083  juga  memiliki  kekuatan  sedang,  mampu  las baik ( weldability ), dan kekuatannya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kandungan Magnesium (Mg) [7]. Material Aluminium 5083 juga memiliki kekuatan luluh ( yield strength )  yang cukup tinggi,  yaitu  sebesar  285  MPa  ( Autodesk  Material Library ).
Penelitian  ini  bertujuan  mengkaji  pengaruh diameter  baut  terhadap  kekuatan  rangka main landing  gear .  Analisis  elemen  hingga  dilakukan untuk  mengukur  seberapa  besar  pengaruh  diameter baut  terhadap  tegangan Von  Mises ,  deformasi  dan faktor keamanan rangka main landing gear .

## 2. Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan simulasi perangkat lunak  ( software ) Autodesk  Inventor  Professional 2017.  Simulasi  Autodesk  Inventor  berguna  untuk menjalankan  analisis  untuk  membuktikan  validitas dari  sebuah  desain.  Hal  ini  jauh  lebih  praktis  dan hemat  waktu  saat  merancang  desain  sebelum membuatnya dalam bentuk prototipe fisik [8].
Autodesk  Inventor  Professional  merupakan jenis  perangkat  pemodelan  parametrik  3D  [9]  dan salah satu produk dari Autodesk Inc. USA yang dulu lebih  familier  dengan  produk  AutoCAD  [10]. Autodesk Inventor memiliki beberapa kelebihan yang memudahkan drafter dalam  mendesain  karena material  yang  disediakan  dapat  diatur  semirip material aslinya.
Analisis tegangan yang dilakukan oleh Autodesk  Inventor  menggunakan  metode  analisis elemen hingga. Analisis elemen hingga adalah teknik numerik  matematis  untuk  menghitung  kekuatan  dan perilaku  struktur  komponen  teknik  dengan  membagi obyek menjadi bentuk jala ( mesh ) [11].
Asumsi  pada  saat  melakukan  analisis  linier, yaitu [8]:
1. Sifat material komponen tetap linier setelah batas luluh.  Maka,  hasil  diluar  batas  luluh  tidak  valid menggunakan simulasi Autodesk Inventor.
2. Defleksi  komponen  sangat  kecil  dibandingkan ukuran komponen secara keseluruhan.
3. Komponen  bersifat  kaku  dan  ulet.  Misalnya, material logam (bukan karet).
4. Deformasi  komponen  sama  dalam  ketiga  arah. Dengan kata lain, material bersifat isotropik. Prosedur menjalankan simulasi tegangan menggunakan software Autodesk Inventor
Professional 2017 ada beberapa tahapan:
Pertama, mendesain rangka main landing gear . Desain meliputi bentuk dan dimensi dari rangka main landing  gear .  Dimensi  rangka main  landing  gear secara detail ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar  1.  Desain  3  dimensi main  landing  gear dengan tiga lubang baut (dalam mm)
Kedua,  menentukan  jenis  material  yang digunakan. Material yang digunakan adalah Aluminium paduan 5083.
Ketiga, menentukan batasan ( constraint ). Batasan yang digunakan adalah fixed constraint pada 2  (dua)  ujung  kaki  rangka main  landing  gear (Gambar 2).
Gambar  2.  Lokasi fixed  constraint rangka main landing gear .
Keempat,  menentukan  besarnya  beban.  Beban pada  rangka main  landing  gear yaitu  beban  impak. Beban  impak  merupakan  fungsi  dari  kecepatan vertikal,  sehingga  persamaan  momentum  impulsnya adalah:
𝐹 ∆𝑡 = 𝑚 𝑉 𝑓 (1)

## Dimana:
𝐹   = beban impak ∆𝑡 = waktu impak 𝑚  = massa pesawat UAV 𝑉 𝑓 = kecepatan 𝑙𝑎𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 vertikal
Dengan menggunakan asumsi bahwa kecepatan vertikal  saat landing ,  massa,  dan  waktu  impak  dari UAV serta parameter analisis tegangan menggunakan Autodesk  Inventor  Professional  2017  dijabarkan secara lengkap pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1. Asumsi dan parameter analisis tegangan Tipe Simulasi Single Point Variabel diameter baut 11  mm,  12  mm,  13 mm, dan 14 mm Kecepatan landing 10 m/s Massa UAV 75 kg Waktu impak 0,5 detik Beban impak 1.500 N Average element size 0,1 mm Minimum element size 0,2 mm Safety factor Berdasarkan yield strength Jumlah node 720  (11  mm),  735 (12  mm),  692  (13 mm), 705 (14 mm) Jumlah elemen 316  (11  mm),  327 (12  mm),  304  (13 mm), 313 (14 mm)
Kelima,  menjalankan  proses meshing .  Proses meshing material pada simulasi ini membagi material menjadi  beberapa  node  dan  elemen  yang  berbeda. Perbedaan  jumlah  node  dan  elemen  karena  adanya perbedaan  diameter  lubang  baut  yang  berdampak pada luas dan volume rangka main landing gear yang sedikit berbeda. Proses meshing rangka main landing gear untuk  diameter  baut  11  mm  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
Gambar 3 . Proses meshing rangka main landing gear untuk diameter baut 11 mm.
Keenam, menjalankan simulasi program. Simulasi  program  akan  menghasilkan  tegangan Von Mises , deformasi ( displacement ), dan faktor keamanan. Simulasi program juga akan menampilkan titik-titik kritis dari desain yang telah dibuat.

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Tabel  2  menunjukkan  sifat  fisik  material Aluminium  paduan  5083.  Material  Aluminium  5083 memiliki massa jenis  sebesar 2,66 gram/cm³. Hal ini berdampak  pada  massa  total  rangka main  landing gear yang cukup ringan, yaitu hanya seberat 1,67 kg.
Tabel 2. Sifat fisik material main landing gear Parameter Keterangan Material Aluminum 5083 Density 2,66 g/cm³ Mass 1,67 kg Yield Strength 285 MPa Ultimate Tensile Strength 385 MPa Young's Modulus 69 GPa Poisson's Ratio 0,33 ul Shear Modulus 25,94 GPa
Hasil  simulasi  menggunakan  Autodesk  Inventor menggunakan  analisis  statik  linier.  Analisis  statik adalah  disiplin  teknik  yang  menentukan  tegangan pada material dan struktur yang mengalami gaya atau beban  statis  maupun  dinamis[12].  Analisis  statik menggunakan  metode  elemen  hingga  dan  bertujuan untuk  menentukan  struktur  atau  komponen,  dapat dengan  aman  menahan  kekuatan  dan  beban  yang telah ditentukan [11]. Kondisi  ini dapat tercapai saat tegangan yang ditentukan dari gaya yang diaplikasikan  kurang  dari  kekuatan  luluh  material dalam menahan beban. Hubungan tegangan ini sering disebut  sebagai  faktor  keamanan  ( safety  factor )  dan digunakan  dalam  banyak  analisis  sebagai  indikator keberhasilan  atau  kegagalan  dalam  sebuah  analisis [8].
Tegangan Von  Mises menjadi  faktor  penentu apakah  desain  material  tersebut  aman  atau  justru akan mengalami kegagalan. Material dikatakan mulai luluh atau terjadi deformasi plastis saat tegangan Von Mises mencapai  nilai  kritis  yang  disebut  sebagai kekuatan  luluh  ( yield  strength ).  Kekuatan  luluh adalah  tegangan  minimum  saat  material  mulai kehilangan sifat elastisnya, yaitu sifat material untuk kembali  ke  bentuk  semula  saat  beban  atau  gaya dihilangkan.
Gambar 4, Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 menunjukkan  tegangan Von  Mises rangka main landing  gear terhadap  variasi  diameter  baut.  Nilai tegangan Von  Mises rangka main  landing  gear dengan diameter baut 11 mm, 12 mm, 13 mm, dan 14 mm berturut-turut sebesar 82,092 MPa, 85,113 MPa, 85,141  MPa, dan  85,340  MPa. Tegangan Von  Mises masih  di  bawah  kekuatan  luluh  ( yield  strength ) material  Aluminium  paduan  5083,  yaitu sebesar  285 MPa.  Tegangan Von  Mises maksimum  terletak  pada
baut bagian tengah yang mengindikasikan titik paling kritis dari rangka main landing gear .
Gambar  4. Tegangan Von  Mises saat  menggunakan diameter baut 11 mm.
Gambar  5.  Tegangan Von  Mises saat  menggunakan diameter baut 12 mm.
Gambar  6. Tegangan Von  Mises saat  menggunakan diameter baut 13 mm.
Gambar  7.  Tegangan Von  Mises saat  menggunakan diameter baut 14 mm.
Deformasi  merupakan  salah  satu  indikator penting untuk menentukan apakah material yang kita gunakan cukup aman untuk menahan beban yang kita inginkan.  Deformasi  terjadi  sebagai  akibat  material menerima  gaya  atau  beban.  Sekecil  apapun  beban yang  bekerja,  material  akan  mengalami  perubahan bentuk dan ukuran. Semakin rendah  nilai  deformasi,
maka semakin kuat suatu material.
Gambar 8, Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11 menunjukkan nilai deformasi rangka main landing gear terhadap  variasi  diameter  baut.  Nilai  deformasi ( displacement )  rangka main  landing  gear dengan diameter  baut  11  mm,  12  mm,  13  mm,  dan  14  mm berturut-turut  sebesar  2,173  mm,  2,185  mm,  2,194 mm,  dan  2,204  mm.  Deformasi  maksimum  terletak pada lubang baut bagian tengah. Hal ini dikarenakan tegangan Von  Mises maksimum  terletak  pada  baut bagian tengah tersebut.
Gambar  8. Deformasi  saat  menggunakan  diameter baut 11 mm.
Gambar  9. Deformasi  saat  menggunakan  diameter baut 12 mm.
Gambar  10.  Deformasi  saat  menggunakan  diameter baut 13 mm.
Gambar  11.    Deformasi  saat  menggunakan  diameter baut 14 mm.
Faktor  keamanan  ( safety  factor) merupakan indikator  untuk  memastikan  apakah  konstruksi  yang dirancang  cukup  aman  atau  tidak  untuk  menahan beban.  Faktor  keamanan  merupakan  perbandingan antara  tegangan  ijin  material  dengan  tegangan  yang terjadi.  Semakin  tinggi  nilai safety  factor ,  maka semakin  aman  suatu  konstruksi. Safety  factor minimal  suatu  material  dikatakan  aman  adalah  1 (satu).
Gambar  12,  Gambar  13,  Gambar  14,  dan Gambar  15  menunjukkan  nilai  faktor  keamanan rangka main  landing  gear terhadap  variasi  diameter baut. Nilai faktor keamanan ( safety factor ) minimum rangka main  landing  gear dengan  diameter  baut  11 mm,  12  mm,  13  mm,  dan  14  mm  berturut-turut sebesar  3,472,  3,349,  3,347  dan  3,340.  Nilai  faktor kemanan  terkecil  terletak  pada  lubang  baut  bagian tengah  yang  menunjukkan  titik  paling  kritis  dari rangka main landing gear .
Gambar  12.  Faktor  keamanan  saat  menggunakan diameter baut 11 mm.
Gambar  13.  Faktor  keamanan  saat  menggunakan diameter baut 12 mm.
Gambar  14.  Faktor  keamanan  saat  menggunakan diameter baut 13 mm.
Gambar  15. Faktor  keamanan  saat  menggunakan diameter baut 14 mm.
Hasil  simulasi  elemen  hingga  pengaruh diameter  baut  terhadap  kekuatan  rangka main landing gear secara lengkap dapat dilihat pada Grafik 1.  Dari  hasil  simulasi  dapat  disimpulkan  bahwa diameter baut terbaik adalah berukuran 11 mm.
Gambar  16.  Hasil  simulasi  elemen  hingga  dengan variasi diameter baut.
4. Kesimpulan Desain rangka main landing gear menggunakan  material  Aluminium  5083  memiliki massa yang yang cukup ringan, yaitu sebesar 1,67 kg. Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  tegangan Von Mises untuk  diameter  baut  11  mm,  12  mm,  13  mm, dan  14  mm  berturut-turut  yaitu  82,092  MPa,  85,113 MPa, 85,141 MPa, dan 85,340 MPa. Nilai deformasi untuk diameter baut 11 mm, 12 mm, 13 mm, dan 14 mm  berturut-turut yaitu 2,173 mm, 2,185 mm, 2,194 mm,  dan  2,204  mm.  Nilai  faktor  keamanan  untuk diameter  baut  11  mm,  12  mm,  13  mm,  dan  14  mm berturut-turut  yaitu  3,472,  3,349,  3,347,  dan  3,340. Dari  hasil  simulasi  dapat  disimpulkan  bahwa diameter baut terbaik adalah berukuran 11 mm.

## Daftar Pustaka
[1]  J.  Parmar  and  V.  Acharya,  “Selection  and Analysis  of  the  Landing  Gear  for  Unmanned Aerial Vehicle for Sae Aero Design Series,” Int. J. Mech. Eng. Technol. , vol. 6, no. 2, pp. 10–18, 2015.
[2]  R.  R.  Kumar,  P.  K.  Dash,  and  S.  R. Basavaraddi,  “Design  And  Analysis  of  Main Landing Gear Structure of A Transport Aircraft and  Fatigue  Life  Estimation,” Int.  J.  Mech. Prod. Eng. , vol. 1, no. 4, pp. 22–26, 2013.
[3]  Al-banaa,  M.  S.  .  Ali,  and  R.  Pires,  “Stress Analysis  on  Main  Landing  Gear  for  Small Aircraft,” Al-Rafidain  Eng. ,  vol.  22,  no.  1,  pp. 26–33, 2014.
[4]  A.  Dutta,  “Design  and  Analysis  of  Nose Landing Gear,” Int.  Res.  J.  Eng.  Technol. ,  vol. 3, no. 10, pp. 261–266, 2016.
[5]  J.  A.  Prakash,  P.  Joshua,  and  D.  Santosh, “Design and Analysis of Aircraft Landing Gear Axle,” Int.  J.  Adv.  Res.  Ideas  Innov.  Technol. , vol. 4, no. 2, pp. 1550–1555, 2018.
[6]  S.  Swarnakiran  and  S.  Rohith,  “Numerical Analysis  of  Nose  Landing  Gear  System,” Int. Res.  J.  Eng.  Technol. ,  vol.  5,  no.  4,  pp.  1978– 1984, 2018.
[7]  P. S. S. R. Kumar et al. , “Mechanical properties of  AA5083  in  different  tempers  at  low temperatures Mechanical properties of AA5083 in different tempers at low temperatures.” [8]  L.  A.  N. Wibawa, Simulasi  Kekuatan Komponen Sarana Pengujian Roket
Menggunakan  Autodesk  Inventor  Professional
2017 . Buku Katta, 2018.
[9]  L.  A.  N.  Wibawa  and  D.  A.  Himawanto, “Analisis  Ketahanan  Beban  Dinamis  Material Turbin  Angin  Terhadap  Kecepatan  Putar  Rotor (Rpm) Menggunakan Metode Elemen Hingga,”
J. Simetris , vol. 9, no. 2, pp. 803–808, 2018.
[10]  L. A. N. Wibawa, Merancang Komponen Roket 3D  dengan  Autodesk  Inventor  Professional
2017 . Buku Katta, 2018.
[11]  L.  A.  N.  Wibawa,  “Desain  dan  Analisis Kekuatan  Rangka  Tempat  Sampah  di  Balai LAPAN  Garut  Menggunakan  Metode  Elemen Hingga,” Turbul.  J.  Tek.  Mesin ,  vol.  1,  no.  2, pp. 64–68, 2019.
[12]  W.  Younis, Up  and  running  with  Autodesk Inventor  Simulation  2011:  a  step-by-step  guide to engineering design solutions . Elsevier, 2010.