i

ABSTRAK

OPTIMASI PERANCANGAN SAYAP STRUKTUR GRIDKOMPOSIT MENGGUNAKAN ALGORITMA GENETIK:

STUDI KASUS PESAWAT TRANSPORT SIPILKAPASITAS 19 PENUMPANG

OlehI Gusti Ngurah Sudira

NIM: 33612001(Program Studi Doktor Teknik Dirgantara)

Persaingan yang ketat antara industri pesawat terbang di dunia membuat paraperancang terus berusaha melakukan inovasi perancangan struktur untukmemperoleh pengurangan berat struktur. Pengurangan berat struktur memilikidampak pada penggunaan bahan bakar pesawat terbang, jarak jangkau, dayaangkut, dan lain-lainnya. Beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengurangiberat struktur yaitu penggunaan material komposit sebagai pengganti metal,mengubah tipe desain dari struktur tradisional dengan struktur grid, memperbaikimetode desain dan analisis struktur, dan memperbaiki metode manufaktur. Sampaisaat ini peneliti dan rekayasawan terus berusaha untuk memperkenalkan teknologibaru baik dalam bidang desain, manufaktur, dan penggunaan material komposit.Penggunaan komposit mengalami kemajuan pesat dari prosentase kandungannyadalam struktur pesawat terbang. Airbus A350 dan Boeing 787 adalah dua pesawatterbang komersil modern yang memanfaatkan komposit untuk memperolehkeunggulan dari segi berat struktur.

Dengan pengalaman panjang penggunaan struktur grid dalam bangunan sipil danbidang spacecraft, para peneliti mulai melihat peluang penerapan struktur griduntuk pesawat terbang. Struktur dengan penguat grid telah diteliti banyak penelitiuntuk memperoleh kemungkinan mengganti struktur monocoque, skin-stringer danstruktur sandwich dengan inti honeycomp. Kebanyakan aplikasi struktur grid padabidang spacecraft memiliki bentuk geometri silinder. Aplikasi struktur grid untukbidang aircraft merupakan terobosan baru dalam rancang bangun pesawat terbang.Mayoritas penelitian struktur grid di bidang aircraft dilakukan pada komponenfuselage yang secara geometri serupa dengan bentuk geometri struktur grid padabidang spacecraft.

Penerapan struktur grid untuk perancangan sayap pesawat terbang memunculkanbeberapa permasalahan, yaitu masalah teknik pemodelan struktur grid, penyediaanperangkat desain dan analisis respon struktur, serta masalah teknik verifikasi hasildesain. Dalam rangka memperoleh hasil desain yang optimum maka perludilakukan optimasi desain struktur grid sayap pesawat terbang dengan

ii

menggunakan algoritma genetik (AG) yang didukung oleh metode elemen hingga(MEH). AG merupakan algoritma optimasi yang populer karena dapat diterapkanpada data yang bersifat diskrit dan dengan jumlah variabel yang banyak. AGmerupakan algoritma optimasi probabilistik yang dibuat berdasarkan teori evolusi.Penerapan AG untuk perancangan struktur grid pesawat terbang masih tergolongmetode baru. Walaupun ada banyak algoritma yang berbeda, tetapi struktur dasarAG masih tetap sama, yaitu terdiri dari populasi awal, evaluasi kecocokan, seleksi,persilangan, mutasi, dan fungsi target.

Penelitian ini bertujuan untuk menerapkan struktur grid untuk perancangan struktursayap pesawat terbang model N219 melalui proses optimasi AG menggunakanmaterial komposit CFRP IM6/5208 pada kulit dan aluminium pada penguat dalamfase preliminary design. Tujuan penelitian lainnya, yaitu pengembangan perangkatoptimasi AG yang didukung MEH untuk perancangan struktur grid sayap pesawatterbang.

Langkah penelitian diawali dengan pembuatan perangkat optimasi dengan kegiatanutama membuat kode MEH yang dapat digunakan untuk analisis wing box yangmengandung panel kulit komposit dengan penguat grid aluminium. Setelah berhasilmembuat perangkat optimasi termasuk proses validasinya, penelitian dilanjutkanpada aktivitas utamanya, yaitu penerapan perangkat optimasi untuk perancanganstruktur grid sayap pesawat terbang pada tahap preliminary design. Penerapanperangkat optimasi dimulai dari model planar dilanjutkan dengan model wing boxtanpa kulit dan terakhir adalah perancangan struktur wing box yang mengandungkulit komposit dan penguat grid aluminium model sayap N219. Proses analisisbuckling dilakukan terpisah dari proses optimasi desain struktur berdasarkanstrength, dengan menggunakan program komersil Nastran.

Kesimpulan yang dapat diambil dalam penelitian ini, yaitu struktur grid lebihringan dari struktur tradisional. Perbedaan berat kedua tipe struktur tersebut makinbesar dengan meningkatnya sudut swept. Kondisi ini menunjukkan bahwa strukturgrid lebih efektif jika diterapkan pada sayap dengan sudut swept yang besar. Bebankritis dan faktor beban kritis struktur grid lebih besar daripada struktur tradisional.Nisbah faktor buckling terhadap beratnya sendiri menunjukkan keunggulan strukturgrid dibandingkan dengan struktur tradisional..Kata kunci: Struktur grid, komposit, optimasi AG, MEH.

iii

ABSTRACT

DESIGN OPTIMIZATION OF WING STRUCTURE GRIDCOMPOSITE USING GENETIC ALGORITHM: CASE STUDYCIVIL TRANSPORT AIRCRAFT 19 PASSENGER CAPACITY

ByI Gusti Ngurah Sudira

NIM: 33111501(Doctoral Program of Aerospace Engineering)

Tight competition among aircraft industries in the world motivates the designer ofmaking structure design innovation to obtain structure weight reduction. Structureweight reduction has impact of aircraft fuel consumption, range, payload, etc. Somesolution can be used to reduce structure weight, namely utilisation of composite asreplacement of metal, change of design type from traditional to grid structure,improvement of design and analysis method, and improvement of manufacturingtechnology. Currently, researcher and designer have introduced new technology ofdesign, manufacturing, and aplication of composite material. Aplication ofcomposite material in aircraft design, showed high progress in component contentpercentage. Airbus A350 and Boeing 787 are two modern airplane of usingcomposite material to obtain structure weight benefit.

According to long time experiences of using grid structure in civil building andspacecraft field, the researcher found opportunity of using grid structure in aircraftdesign. Grid structure have been studied by researcher to obtain the posibilities ofreplacement monocoque skin-stringer and honeycomb core sandwich. Most of gridstructure application use cylindrical model in spacecraft field. Application of gridstructure in aircraft design is a new penetration. Fuselage is opten time used as theresearch object of grid structure, geometrically similar shape with grid structure inspacecraft field application.

Application of grid structure in wing design are creating some problem namelystructure grid modeling method, design and analysis tools that can be used, and themethod of design output verification. In order to obtain the optimum design, thisresearch used optimization method of grid structure design for aircraft wing by theapplication of genetic algorithm (GA) and finite element method (FEM). Geneticalgorithm is vary populer due to the capabilities of getting solution in the case ofdiscret data and big numbers of design variable. Genetic algorithm is probabilisticoptimization algorithm that was generated based on evolution theory. Theaplication of GA on grid structure design especially for aircraft design can beclassificated as a new method. Eventhough there are many algorithm, but the basicstructure of GA is still the same, i.e., consist of initial population, fitnessevaluation, selection, crossover, mutation, and objective function.

iv

The objective of this research is the application of grid structure on wing design ofN219 aircraft model that consist of composite CFRP IM6/5208 skin and aluminiumstringer grid in preliminary design phase. The other objective of this research isgenerating of optimization tools with FEM support for structure grid design ofaircraft wing.

The first activity of this research is generating optimization tools with the mainactivity of generating FEM code with the capabilities for analysis wing box withcontains of composite skin and aluminium stringer grid. After finish of generatingotimization tools including validation process, application of optimization tools forgrid structure design of aircraft wing at preliminary design phase can be performed.The application of optimization tools was started from planar model, and then wingbox, and finally design of wing box structure using N219 wing model. Bucklinganalysis process was conducted separated from strength based design optimizationprocess, using Nastran commercial program.

The conclusion can be obtained namely grid structure lighter than traditionalstructure. The differences of weight for the two type of structure increase withincreasing of swept angle. This condition show that grid structure more effective ifit was applied on high swept angle wing. Critical load and critical load factor forgrid structure bigger than traditional structures. Ratio of buckling factor withrespect to its weight, showed superiority of grid structure compared with traditionalstructure.

Keyword: Grid structure, composite, GA optimization, FEM.