INVESTIGASI GAYA KONTAK/IMPAK PADA MAIN LANDING GEAR PESAWAT KOMUTER DENGAN PENDEKATAN MULTI-BODY SIMULATION (MBS) RIGID MODELS
(THE INVESTIGATION OF CONTACT/IMPACT FORCES OF

## COMMUTER AIRCRAFT MAIN LANDING GEAR USING  MULTI-BODY SIMULATION (MBS) RIGID MODELS)
Dony Hidayat *),**) , Jos Istiyanto *) , Danardono Agus Sumarsono *) , Aryandi Marta **)
*) Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok Pondok Cina, Beji, Depok City, West Java 16424
**) Pusat Teknologi Penerbangan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN, Sukamulya, Rumpin, Bogor 16350 Indonesia e-mail : dony.hidayat@ui.ac.id
Diterima 16 Mei 2017; Direvisi 25 Juli 2017; Disetujui 3 Agustus 2017

## ABSTRACT
Landing Gear Drop Test (LGDT) which aims to determine the characteristic of contact/impact force that occurs in the time of the touchdown landing has been conducted. Experimental tests using the apparatus requires a substantial time and cost. Virtual Landing Gear Drop Test (vLGDT) using MSC ADAMS software is one of  the solutions for  initial stage to testing landing gear. Stiffness values  and damping coefficient obtained from vLGDT are 5.0e5 N/m and 1600 N.sec/m. Contact/impact force that occurs on vLGDT is 75996 N, while from experimental is 73612 N. The difference between vLGDT and experimental result is 3.14%.
Keywords: contact/impact force, landing gear, drop test, multi-body simulation, rigid body

## ABSTRAK
Pengujian landing  gear yang  bertujuan  untuk  mengetahui  karakteristik  gaya  kontak/impak yang terjadi saat touchdown landing telah dilakukan. Pengujian eksperimental menggunakan apparatus membutuhkan  waktu  yang  lama  dan  biaya  yang  besar. Vitual  Landing  Gear  Drop  Test (vLGDT) menggunakan perangkat lunak MSC ADAMS merupakan salah satu alternatif untuk pengujian tahap awal landing gear . Dari simulasi menggunakan vLGDT diperoleh nilai k = 5.0e5 N/m dan cmax = 1600 N.detik/m.  Gaya  kontak/impak  yang  terjadi  pada  simulasi  menggunakan  vLGDT  sebesar  75996  N, sedangkan  dari  eksperimental  sebesar  73612  N.  Hasil  vLGDT  lebih  besar  3.14%  dibandingkan eksperimental.
Kata kunci: Gaya kontak/impak, landing gear, drop test, multi-body simulation, rigid body
1 PENDAHULUAN
Kebutuhan pesawat komuter untuk penerbangan perintis pada kawasan timur Indonesia cukup tinggi. Kondisi ini disebabkan  sebagian  besar  landasan pacu pada daerah ini masih pendek dan pesawat komuter yang beroperasi banyak yang  berumur  di  atas  20  tahun.  Untuk memenuhi  kebutuhan  alat  transportasi tersebut,  maka  dikembangkan  pesawat komuter  dengan  kapasitas  penumpang sampai  19  orang  (Joko,  2010;  "N219, Pesawat untuk Landasan Pendek," 2010).
Setiap  pesawat  yang  akan  diguna- kan  untuk  moda  transportasi  harus melewati proses sertifikasi ( Civil Aviation Safety Regulation /CASR) yang dikeluarkan oleh Kementrian Perhubungan RI. Salah satu proses sertifikasi yang harus dipenuhi adalah sertifikasi untuk komponen landing gear (Kemenhub,  2001). Landing  gear adalah salah satu komponen utama pada pesawat terbang yang mempunyai fungsi untuk penyerapan energi pada saat fase landing ,  untuk  pengereman  dan  untuk proses taxi di  landasan  (Currey,  1988; Raymer, 1999). Pengujian eksperimental main  landing  gear model roll  out telah dilakukan  di  Laboratorium  Aerostruktur LAPAN  sesuai  dengan  regulasi  yang terdapat pada CASR Part 23.725.
Perangkat lunak untuk kerekayasa- an  ( Computer  Aided  Engineering /CAE) berkembang  pesat  dalam  beberapa dekade ini, salah satunya adalah metode Multi-Body  Simulation (MBS).  MBS menyediakan tools yang  sangat  cepat
untuk  pemodelan  dan  simulasi  suatu assembly yang  terdiri  dari  beberapa komponen yang rumit. Inilah salah satu kelebihan MBS dibanding Finite Element Analysis (FEA)  yang  cendrung  untuk memisahkan  secara parsial  komponen  – komponen  pada  suatu assembly yang bergerak dan berinteraksi satu sama lain (Khude, 2014).
Romeo et al (Leo, Fenza, Barile, & Lecce,  2014)  telah  membuat  metodologi untuk Virtual  Landing  Gear  Drop  Test (vLGDT)  menggunakan  perangkat  lunak MSC ADAMS dan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian experimental . Perbedaan antara simulasi dan eksperimental di bawah 11%. Krason (Krason &
Malachowski, 2015)
memperkenalkan metodologi untuk mengevaluasi  beberapa  model landing gear dan penelitian secara numerik pada komplit  sistem landing  gear .  Dengan menggunakan simulasi Chen et al , (Chen, Chang,  Chen,  &  Chen,  2014)  telah melakukan  simulasi  impak  pada main landing gear yang divariasikan ketebalannya  menggunakan  perangkat lunak  komersial  ANSYS  dan  LS-Dyna. Kong et al , (Kong, Lee, Han, & Ahn, 2009) juga telah melakukan simulasi menggunakan  LS-Dyna  pada landing Gear  Smart  Unmanned  Aircraft Vehicle (SUAV)  dan  dibandingkan  dengan  data experimental . Fu et  al , (Fu, Zhang, Li, & Li, 2013) memodelkan pengujian drop test landing gear dengan pendekatan menggunakan modul SimMechanics pada
Matlab/Simulink . Pemodelan dapat menganalisis karakteristik dinamik berbagai kondisi seperti saat touchdown , taxi , dan pengereman.
Pengujian  eksperimental landing gear  drop  test membutuhkan  fasilitas yang  kompleks  dan  biaya  yang  besar, oleh  karena  itu  simulasi  menggunakan virtual landing gear drop test merupakan salah  satu  solusinya.  Pemodelan  yang digunakan  pada  penelitian  ini  masih menggunakan rigid  body  model ,  karena analisisnya  hanya  untuk  gaya  kontak/ impak  saja.  Parameter  k  dan  c max yang diperoleh  merupakan  parameter  dari gaya  kontak/impak main  landing  gear . Penelitian ini bertujuan untuk membuat vLGDT  menggunakan software MSC ADAMS.  Dengan  metode virtual ,  iterasi konfigurasi  desain landing gear dapat dilakukan dengan cepat dan murah.

## 2 METODOLOGI
2.1   Lokasi dan Data
Pengujian  eksperimental  LGDT dilakukan  di  Laboratorium  Aerostruktur Pusat  Teknologi  Penerbangan  LAPAN. Simulasi  vLGDT  menggunakan  perangkat lunak MSC ADAMS dengan menggunakan alat  uji  LGDT  seperti  pada  Gambar  2-1, dan diagram alir pemodelan vLGDT seperti pada Gambar 2-2.
Gambar 2-1: Alat uji LGDT

## 2.2  Diagram alir
Pemodelan untuk
vLGDT
menggunakan  model  2  dimensi  dengan
parameter  inputan: stiffness (k), force exponent (e), damping (cmax),  dan penetration  depth (d).  Hasil  dari  vLGDT dibandingkan  dengan  ekperimental,  jika hasilnya berbeda maka parameter inputan diiterasi  sampai  nilainya  mendekat eksperimental.
Gambar 2-2: Diagram  alir  Pemodelan  untuk vLGDT  menggunakan  model  2 dimensi dengan parameter inputan

## 2.3 Asumsi dan Data Awal
Asumsi  dan  data  awal  yang digunakan pada simulasi adalah:
 Main landing gear dimodelkan 2 dimensi,
 Model  menggunakan  tipe rigid  body (Shabana, 2013; Stronge, 2004),
 Roda  dimodelkan  berdasarkan  data eksperimental (Brach & Brach, 2009),
 Gesekan diabaikan,
 Step size pada simulasi = 0.001 detik,
 Tekanan roda eksperimental = 65 psi,
 Diameter roda = 812.80 mm,
 Drop displacement = 200 mm.
Persamaan  gerak  translasi  dan rotasi  untuk unconstrained  multibody system yang terdiri dari model kaku ( rigid model ) adalah (Machado, Moreira, Flores, & Lankarani, 2012)
𝑀. 𝑞̈ = 𝑔 (2-1)
Dimana M adalah  sistem  global matriks  massa  yang  terdiri  dari  massa dan momen inersia seluruh komponen, 𝒒̈ adalah  vektor  percepatan.  Sedangkan 𝒈 adalah  vektor  gaya  secara  umum  yang terdiri  dari  gaya  dan  momen  luar  yang bekerja pada system.

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  menggunakan Virtual Landing  Gear  Drop  Test (vLGDT)  dengan pemodelan gaya kontak/impak memakai 4 variabel, yaitu (Giesbers, 2012):
 stiffness (k),
 force exponent (e),
 damping (c max ),
 penetration depth (d).
Variabel awal untuk nilai e dan d mengacu pada Giesbers (Giesbers, 2012), nilai e untuk karet≈ 1.1 dan nilai d = 1.0e-
4 m. Nilai dari c max berkisar 1% dari nilai k, sedangkan nilai k mengacu pada data kondisi  statik  eksperimental,  k  =  5.9e5 N/m.
Karena
karet mempunyai karakteristik stiffness yang non  linear (Currey,  1988),  jadi  nilai  k  statik  ini merupakan  tebakan  awal  sebelum dilakukan iterasi.
Gambar  3-2  menampilkan  nilai drop displacement , dari hasil experimental diperoleh  nilai drop  displacement saat touchdown (fase compression ) sebesar     - 125  mm  sedangkan  hasil  simulasi sebesar  -92  mm.  Perbedaan  antara eksperimental  dan  simulasi  disebabkan karena  nilai  variabel  k  simulasi  lebih besar dari kondisi eksperimental.
Displacement  rebounded simulasi  lebih cepat 0.032 detik dibanding eksperimental.
Gambar 3-1: vLGDT menggunakan MSC ADAMS
Gambar 2-2: Komparasi hasil eksperimental dan simulasi dengan variabel tebakan awal
Untuk mendapatkan karakteristik dinamik main  landing  gear simulasi sesuai  dengan  eksperimental,  maka dilakukan iterasi pada parameter inputan simulasi. Iterasi pertama dilakukan untuk nilai  k,  sedangkan  parameter  e  dan  d sesuai  dengan  simulasi  awal.  Karena redaman hasil simulasi awal terlalu cepat dibanding eksperimental, maka nilai c max diganti menjadi 2000 N.detik/ m, nilai ini masih  tebakan  awal,  selanjut-nya  akan divariasikan  setelah  didapatkan  nilai  k yang mirip dengan eksperimental.
Nilai k divariasikan seperti ditampil- kan pada Tabel 3-1. Gambar 3-3 ditampil- kan  hasil  simulasi  dengan  memvariasi nilai  k,  pada  nilai  k  =  5.0e5  N/m,  nilai drop  displacement fase compression 1 simulasi  sebesar  -124  mm  pada  0.314 detik.  Pada  saat separation 1,  nilai drop displacement simulasi  sebesar  144  mm pada  0.602  detik.  Komparasi  hasil simulasi  dan  eksperimental  ditampilkan pada Tabel 3-2.
Semakin  kecil  nilai stiffness (k), maka  nilai drop  displacement yang dihasilkan  pada  fase compression akan
semakin  besar  seperti  yang  ditampilkan pada  Gambar  3-3.  Fenomena  ini  sama dengan Hukum Hooke (Hibbeler, 1997).
Persentase perbedaan antara simulasi dan eksperimental dari tahap 1 sampai  3  terus  mengalami  kenaikan, pada compression tahap ketiga, perbedaan- nya 7.1 % sedangkan pada separation 9.3 %,  hal  ini  disebabkan  karena  ada pengaruh  dari  c max .  Untuk  mendekati nilai  eksperimental,  dilakukan  iterasi nilai  c max .  Pada  iterasi  cmax,  nilai  k  = 5.0e5 N/m, e = 1.1 dan d = 1e-4 m.
Nilai c max divariasikan seperti pada Tabel  3-1  dan  hasil  dari  variasi  c max ditampilkan pada Gambar  3-4. Semakin kecil  nilai  c max ,  grafik  hasil  simulasi mendekati  grafik  eksperimental.  Untuk Nilai  c max =  1600  N.detik/m  pada  saat fase compression dan separation ditampilkan  pada  Tabel  3-3.  Perbedaan antara simulasi dan eksperimental pada fase compression dan separation tahap ketiga  sudah  di  bawah  5  %,  sedangkan saat cmax = 2000 N.detik/m (Tabel  3-2) perbedaannya masih di atas 5 %.

## Tabel 3-1: VARIASI PARAMETER UNTUK GAYA KONTAK/IMPAK
Stiffness k
[N/m]
Damping c max [N.det/m] 5.9e5 2000 5.5e5 1800 5.0e5 1600
Tabel 3-2: KOMPARASI DROP DISPLACEMENT EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI (k = 5.0e5 N/m; c max = 2000 N.detik/m)
Fase Drop displacement [mm] simulasi Drop displacement [mm] eksperimental Perbedaan [%] Compression 1 -124 -125 0.8 Compression 2 -103 -107 3.9 Compression 3 -84 -90 7.1 Separation 1 144 148 2.7 Separation 2 104 117 2.9 Separation 3 75 92 9.3
Gambar 3-4: Variasi nilai koeffisien damping
Dari  beberapa  kali  iterasi  nilai stiffness (k) dan koefisien damping (c max ) diperoleh  grafik  perbandingan  hasil semulasi dan eksperimental seperti yang ditunjukan  Gambar  3-5.  Hasil  simulasi sudah mendekati eksperimental, namun mulai pada detik ke 2, perbedaan waktu fase compression dan separation antara
simulasi  dan  eksperimental  sudah  0.05 detik seperti ditampilkan pada Tabel 3-4. Perbedaan  waktu  ini  semakin  lama semakin besar, hal ini disebabkan karena pendekatan  pada  penelitan  ini  masih menggunakan model rigid body dan tidak ada gesekan pada aparatus.
Tabel 3-3:  KOMPARASI DROP DISPLACEMENT EKSPERIMENTAL DAN SIMULASI (k = 5.0e5 N/m; c max = 1600 N.detik/m)
Fase Drop displacement [mm] simulasi Drop displacement [mm] eksperimental Perbedaan [%] Compression 1 -126 -125 0.8 Compression 2 -108 -107 0.9 Compression 3 91 -90 1.1 Separation 1 152 148 2.7 Separation 2 115 117 1.7 Separation 3 88 92 4.5
Gambar 3-5: Perbandingan data drop displacement MLG eksperimental dan simulasi
Tabel 3-4:  KOMPARASI  WAKTU  FASE COMPRESSION & SEPARATION PADA  EKSPERIMENTAL  DAN SIMULASI (k = 5.0e5 N/m; c max = 1600 N.detik/m) Fase Waktu [detik] simulasi Waktu [detik] eksperimental Perbedaan [detik] Compression 1 0.31 0.33 0.02 Compression 2 0.9 0.91 0.01 Compression 3 1.43 1.46 0.03 Compression 4 1.94 1.99 0.05 Compression 5 2.42 2.47 0.05 Compression 6 2.88 2.95 0.07 Separation 1 0.6 0.61 0.01 Separation 2 1.17 1.19 0.02 Separation 3 1.69 1.73 0.04 Separation 4 2.18 2.23 0.05 Separation 5 2.65 2.72 0.07 Separation 6 3.11 3.19 0.08
Setelah  karakteristik  dinamik  dari simulasi  sudah  mendekati  eksperimental, tahapan  selanjutnya  adalah  menentukan karakteristik  gaya  kontak/impak  pada simulasi. Gaya kontak/impak yang terjadi pada  simulasi  menggunakan  vLGDT sebesar 75996 N seperti yang ditampilkan pada  Gambar  3-6,  sedangkan  dari eksperimental  sebesar  73612  N.  Hasil simulasi  lebih  besar  3.14%  dibandingkan eksperimental.
Menurut  Hukum  Hertz  yang berhubungan  dengan  gaya  kontak dengan  pengaruh  fungsi nonlinear dari lekukan  dapat  diekspresikan  sebagai (Machado et al ., 2012):
𝐹 𝑁 = 𝐾. 𝛿 𝑛 (3-1)
dimana 𝛿 adalah  lekukan  relatif  antara bagian  yang  berkontak,  K  adalah parameter stiffness dan  n  adalah eksponensial gaya nonlinear yang merupakan fungsi dari properties material  dan  karakteristik  geometri  dari permukaan yang terjadi kontak.
Berdasarkan  Hukum  Hertz  di atas, salah satu cara untuk mengurangi gaya  kontak/impak  yang  terjadi  pada main  landing  gear adalah  dengan mengurangi  parameter stiffness ,  karena parameter  dari  material  roda  dan geometrinya  sudah fix .  Semakin  kecil stiffness maka  semakin  besar  defleksi
yang  terjadi dan  semakin banyak energi yang  diserap  oleh  komponen  yang terdefleksi  tersebut  (Hibbeler,  1997).
Stiffness dari main  lainding  gear yang bisa  dikurangi  adalah  komponen strut dan rubber damper -nya.

## Tabel 3-5: PARAMETER GAYA KONTAK/IMPAK HASIL SIMULASI
Stiffness [N/m] Koefisien damping [N.det/m] Force exponent Penetration depth [m] 5.0e5 1600 1.1 1e-4
Gambar 3-6: Perbandingan gaya kontak/impak eksperimental dan simulasi

## 4 KESIMPULAN

## Virtual  Landing  Gear  Dropt  Test
(vLGDT)  telah  berhasil  dibuat  mengguna- kan perangkat lunak MSC ADAMS.  Dari hasil simulasi (vLGDT), diperoleh parameter–parameter untuk gaya kontak/impak main  landing  gear pesawat komuter  19  penumpang.  Nilai  parameter gaya  kontak/impak  tersebut  adalah stiffness (k)  =  5.0e5  N/m  dan  koeffisien damping  (c max )  =  1600  N.detik/m.  Gaya kontak/impak  maksimal  yang  terjadi menggunakan  simulasi  (vLGDT)  sebesar 75996  N,  sedangkan  pada  eksperimental sebesar  73612  N  dengan  error  sebesar 3.14%.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih  kepada  Bapak  Gunawan  Setyo Prabowo, Bapak Agus Aribowo dan Bapak Atik  Bintoro  atas  bimbingannya  dalam penulisan makalah ini.

## PERNYATAAN PENULIS
Isi  dalam  makalah  ini  sepenuhnya menjadi tanggung jawab penulis.

## DAFTAR RUJUKAN
Brach,  Raymond  M,  &  Brach,  Matthew,  2009.
Tire  Models  for  Vehicle  Dynamic Simulation And Accident Reconstruction : SAE Technical Paper.
Chen, Pu-Woei, Chang, Shu-Han, Chen, Chan- Ming,  &  Chen,  Pu-Woei,  2014. Impact Loading  Analysis  of  Light  Sport  Aircraft Landing  Gear . Applied  Mechanics  and Materials 518 , 252-257.
Currey, Norman S., 1988. Aircraft Landing Gear Design: Principles and Practices : Aiaa.
Fu, Yong Ling, Zhang, Peng, Li, Sheng Jun, & Li,
Zhu  Feng,  2013. Drop  Dynamic Simulation  for  Landing  Gear  via SimMechanics. Paper  presented  at  the Advanced Materials Research.
Giesbers,  Jochem,  2012. Contact  Mechanics  in MSC  Adams-A  Technical  Evaluation  of The  Contact  Models  In  Multibody dynamics software MSC Adams.
Hibbeler,  RC,  1997. Mechanics  of  Materials :
Prentice Hall.
Joko,  2010. Pesawat  N219  Akhirnya  Diakui Sebagai  Pesawat  Nasional .  Retrieved from  lapan.go.id  website:  https:// www.lapan.go.id/index.php/subblog/ read/2015/2203/Pesawat-N219-
Akhirnya-Diakui-Sebagai-Pesawat- Nasional/380.
Kemenhub, 2001. Civil Aviation Safety
Regulations (CASR) Part 23 Amd. 1.
Khude,  Naresh  N., 2014. Efficient Simulation of
Flexible  Body  Systems  with  Frictional Contact/Impact. Citeseer.
Kong,  JP,  Lee,  YS,  Han,  JD,  &  Ahn,  OS,  2009.
Drop Impact Analysis of Smart Unmanned Aerial Vehicle (SUAV) Landing
Gear and Comparison with Experimental
Data . M a terial wissenschaft und Werkstofftechnik, 40(3), 192-197. Krason, W., & Malachowski, J., 2015. Multibody Rigid  Models  and  3D  FE  Models  in Numerical Analysis of Transport Aircraft Main  Landing  Gear .  Bulletin  of  the Polish  Academy  of  Sciences  Technical Sciences, 63(3), 745-757.
Leo, Romeo Di, Fenza, Angelo De, Barile, Marco,
&  Lecce,  Leonardo,  2014. Drop  Test Simulation for An Aircraft Landing Gear Via  Multi-Body  Approach .  Archive  of Mechanical Engineering, 61(2), 287-304.
Machado,  Margarida,  Moreira,  Pedro,  Flores,
Paulo,  &  Lankarani,  Hamid  M.,  2012. Compliant  Contact  Force  Models  in Multibody  Dynamics:  Evolution  of  the Hertz  Contact  Theory .  Mechanism  and Machine Theory, 53, 99-121.
N219,  Pesawat  untuk  Landasan  Pendek,  2010.
Kompas . Retrieved from http://
bisniskeuangan.kompas.com/read/201
0/12/31/04573584/n219.pesawat.unt
uk.landasan.pendek.
Raymer,  Daniel  P.,  1999. Aircraft  design:  a conceptual  approach, American  Institute of  Aeronautics  and  Astronautics .  Inc.,
Reston, VA.
Shabana,  Ahmed  A.,  2013.
Dynamics  of Multibody Systems : Cambridge university press. Stronge, William James, 2004. Impact
mechanics : Cambridge university press.