Homework 2: Design Loads Analysis of Diamond DA 40 - Analisis dan Perancangan Struktur Ringan I (APS I)

1. HOMEWORK 2 (REVISION)
AE 3141 ANALISIS DAN PERANCANGAN STRUKTUR RINGAN I
Design Loads Analysis
Disusun oleh:
Sayogyo Rahman Doko 13611046
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
AERONOTIKA DAN ASTRONOTIKA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2014

2. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
-10 0 10 20
Cl
α
Clα
1. Pesawat yang dipilih untuk desain struktur: Diamond DA-40
a. Data
i. Data umum dari soal
ii. Data dari Airplane Flight Manual DA 40
Wing Horizontal tail
Airfoil = Wortmann FX 63-137/20-W4 S = 2.34 m2 (25.2 ft2)
S = 13.54 m2 (145.7 ft2)
ĉ = 1.121 m (3.667 ft)
Airspeed Center of Gravity
VC = 129 knots at MTOW = 2.46 m
Load Factor (at VA)
nmax = 3.8
nmin = -1.52
iii. Data airfoil
Dengan menggunakan data dari blended
learning yakni airfoil and aero characteristic.xlsx
dan dengan software JavaFoil, diperoleh:
Clmax = 2.119
Clα (slope a) = 5.82398 rad-1

3. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
3
iv. Data dari skala 3 view drawing
Melalui software AutoCAD dan XFLR5, digunakan pengukuran berbagai dimensi bagian yang diperlukan dengan skala 1: 33.4812 (cm). Diperoleh:
Wing Horizontal tail
ĉ = 0.72 m
x = 2.077241 m x = 7.033062 m

4. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
4
v. Data keseluruhan yang dipakai
SI British Environtment g 9.81 m/s2 32.2 ft/s2 ρ0 1.225 kg/m3 0.00176 slugs/ft3 Wing S 13.54 m2 145.7 ft2 b 11.94 m AR 10.53 풄 1.121 m 3.677822 ft clα = a 5.823984 rad-1 clmax 2.119 Horizontal Tail S 2.34 m2 b 3.29 m 풄 0.73819 m Load MTOW 1150 kg 2535 lb MTOW 11281.5 N EOW 750 kg 1653 lb EOW 7357.5 N nmax 3.8 nmin -1.52 Velocity VS MTOW 25.20778 m/s 49 knot VS EOW 20.46149 m/s 39.77396 knot VA MTOW 49.13901 m/s 95.51858 knot VA EOW 39.88679 m/s 77.53372 knot VC 66.36333 m/s 129 knot VD 92.90867 m/s 180.6 knot Position x wing 2.077241 m x ht 7.033062 m CG MTOW 2.46 m CG wing 2.686934 m CG ht 7.402721 m
Keterangan :
- VS (stall) yang tercantum dalam data soal adalah saat MTOW. Sebab VS bergantung pada massa sesuai persamaan:
푉푠= 2푛푚푔 휌푆퐶푙푚푎푥 푑푒푛푔푎푛 푛=1
Sehingga untuk EOW (750 kg), VS = 39.77 knot.
- VA adalah maneuvering speed yang dirumuskan sebagai: 푉퐴=푉푆 푛푚푎푥
- VD adakah dive speed yang biasanya lebih besar daripada Vmax pesawat. Kecepatan ini juga disebut red-line speed yang tidak pernah boleh dilampaui. Untuk pesawat normal, sesuai FAR 23, besar VD ≥ 1.4 VC dan inilah yang dipakai di tugas ini.

5. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
5
b. V-n Diagram with Gust
Persamaan yang digunakan:
퐿표푎푑 퐹푎푐푡표푟 → 푛= 휌0푉2퐶푙푚푎푥 2푊/푆
퐺푢푠푡 → 푛=1± 푘푔푉푈푑푒푎휌 2푊/푆 푤푖푡ℎ 푘푔= 0.88휇 5.3+휇 휇= 2푊/푆 푔푐휌푎
Dengan asumsi:
- ρ sea level
MTOW EOW W (N) 11281.5 7357.5 S (m2) 13.54 13.54 W/S (N/m2) 833.1979 543.39 ρ (kg/m3) 1.225 1.225 풄 (m) 1.121 1.121 g (m/s2) 9.81 9.81 a (rad-1) 5.823984 5.823984 μ 21.23965 13.85194 kg 0.704263 0.636474
 MTOW = 1150 kg (2535 lb)
MTOW KTS m/s Ude (ft/s) Ude (m/s) Δn n (+) n (-) VA
95.51858
49.13901
66
20.1168
2.980562
3.980562
-1.98056 VC
129
66.36333
50
15.24
3.049482
4.049482
-2.04948 VD
180.6
92.90867
25
7.62
2.134637
3.134637
-1.13464
 EOW = 750 kg (1653 lb)
EOW KTS m/s Ude (ft/s) Ude (m/s) Δn n (+) n (-) VA
77.53372
39.88679
66
20.1168
3.352611
4.352611
-2.35261 VC
129
66.36333
50
15.24
4.225794
5.225794
-3.22579 VD
180.6
92.90867
25
7.62
2.958056
3.958056
-1.95806

6. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
6
VB diperoleh dengan cara menentukan kecepatan yang lebih kecil antara kecepatan hasil perpotongan garis Gust 66 ft/s ke kurva stall positif dan kecepatan perpotongan nmax VC ke kurva stall positif. Setelah dilakukan perhitungan, kecepatan yang lebih kecil adalah 99.109 knots, sehingga VB = 99.109 knots.
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
n, load factor
V (knots)
V-n Diagram
at MTOW 1150 kg (2535 lb)
VS VA VB VC VD
Ude = 66 ft/s
Ude = 50 ft/s
Ude = 25 ft/s

7. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
7
Untuk diagram dari EOW, VB juga diperoleh dengan langkah yang sama. Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan kecepatan yang lebih kecil untuk VB adalah 86.66 knots.
-4
-2
0
2
4
6
8
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
n, load factor
V (knots)
V-n Diagram
at EOW 750 kg (1653 lb)
VS VA VB VC VD
Ude = 66 ft/s
Ude = 50 ft/s
Ude = 25 ft/s

8. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
8
2. Dari data keseluruhan nomor 1:
 CG plane = 2.46 m (96.9 in) setelah Datum Plane (DP) untuk MTOW
 CG wing = 2.68 m setelah Datum Plane
 CG ht = 7.40 m setelah Datum Plane
Gambar 1: Diagram Benda Bebas Pesawat
Dari DBB di atas, kita dapat menentukan lift pada wing (Lw) dan ekor (Lt) untuk load factor maksimum dan minimum dengan asumsi terjadi kesetimbangan gaya vertikal. Maka dari itu, berat pesawat akan dikalikan dengan load factor yang bekerja pada pesawat, hasilnya akan sama dengan jumlah lift yang dihasilkan sayap dan tail. Pendekatan ini akan menghasilkan persamaan keseimbangan gaya vertikal sebagai berikut:
퐿푤−퐿푡=푛푊 ………….. (1)
Kemudian jika kita menggunakan persamaan kesetimbangan momen, kita menganggap jarak dari CG ke Lw adalah a = 0.227 m, dan jarak dari CG ke Lt adalah b = 4.943 m, maka kita akan mendapatkan persamaan :
퐿푤푎−퐿푡푏+푀푎푐=0 .…………. (2)
Substitusi persamaan (1) ke (2), didapat hasil :
퐿푡= 푀푎푐+푛푊푎 푏−푎
CG plane a
CG wing b
CG ht
W
MAC
LWING
LTAIL

9. APS I Homework 2 Sayogyo Rahman Doko 13611046
9
Selain itu, digunakan persamaan 푀푎푐= 12 휌0푉2푆퐶푚푚푎푥푐 beserta asumsi:
- Sea level
- Cmmax wing= -0.232
- S = Sw + Sht = 13.54 + 2.34 = 15.88 m2
- W yang dipakai adalah MTOW
Maka diperoleh Mac, Lt, Lw untuk tiap v pojok (kondisi terbang maneuver kritis):
V critical (m/s) V critical (knot) Mac (Nm) n L tail (N) L wing (N) V1 99.10985 50.986512
-6575.985
4.049482
803.959368
46488.19 V2 129 66.363333
-11140.55
4.049482
-163.97312
45520.26 V3 180.6 92.908667
-21835.48
3.1346374
-2928.531
42755.7 V4 180.6 92.908667
-21835.48
-1.1346374
-5246.2752
40437.96 V5 129 66.363333
-11140.55
-2.049482
-3475.0363
42209.19 V6 95.518585 49.139005
-6108.055
-1.9805621
-2370.4616
43313.77 V7 60.720995 31.237579
-2468.34
-1.52
-1348.6124
44335.62
Dengan persamaan 퐿= 12 휌0푉2푆퐶퐿 diperoleh nilai CL saat Lwing maksimum dan Ltail maksimum (harga absolut):
Tail Wing L max (N) -5246.2752 46488.1902 CL -0.4240496 2.15629055
REFERENSI
Airfoil and aero characteristic.xlsx di blendedlearning.itb.ac.id
Airplane Flight Manual DA 40, 2000. Diamond Aircraft InGustries GMBH, Austria.
Chun, Michael. Niu, Yung. 1988. Airframe Structural Design. Conmilit Press Ltd, California.
Sadraey, M. 2009. Aircraft Performance Analysis.