Perencanaan Variable Ballast System untuk...
Transcript of Perencanaan Variable Ballast System untuk...
Oleh : Dili Kurniawan Putra
2111030029
Dosen pembimbing Hendro Nurhadi, Dipl. Ing. Ph.D
Perencanaan Variable Ballast System untuk Kesetimbangan Kapal Selam Tanpa Awak (AUV) dengan metode Pergeseran
Pusat Berat .
AUV saat ini sudah mulai digunakan untuk berbagai macam keperluan . Mulai dari melacak objek didalam air sampai kepentingan keamanan wilayah suatu negara . Oleh karena itu , AUV harus mempunyai manuverability yang sesuai dengan situasi dan medan yang ditempuh. Hal tersebut dapat dicapai dengan cara memanfaatkan mekanisme Ballast .
Bagaimana merencanakan sistem Ballast pada Kapal selam tanpa awak (AUV) yang membantu manuver didalam air
Perencanaan ini hanya mengkaji tentang system ballast untuk kondisi AUV melayang dan terapung didalam air.
Perencanaan hanya menganalisa 1DOF yaitu gerak rotasi terhadap sumbu x sebagai sumbu putar ( pitch )
Mengacu pada statika fluida berkenaan dengan gaya buoyancy dan gaya gravitasi.
Mendesain body AUV agar dapat menetapkan volume air yang di butuhkan dalam VBS.
Body AUV dianggap mampu menopang beban tekanan dari gaya hidrostatik air.
Komponen-komponen pada perencanaan didasarkan dari katalog. Dan komponen pendukung didapat dari hasil desain .
Tidak memperhitungan pengaruh kenaikan temperature pada tangki ( pressure hull ).
Gaya hidrodinamik pada body AUV yang berpengaruh dalam perhitungan VBS diabaikan
AUV hanya menyelam dengan kedalaman 3 meter. Perhitungan pompa berdasarkan katalog .
Menentukan Dimensi Tangki Ballast
Permodelan fisik menggunakan Solidworks
Analisa sudut pitch ( ๐ฝ ) dan Momen kopel
Perhitungan Daya untuk VBS,
Perhitungan Roda Gigi Transmisi
Perhitungan Poros Motor Penggerak
Body AUV dengan Material air
( kondisi terapung di permukaan air)
Luasan Body yang terpotong
permukaan air
Body AUV AUV ( air )
๐๐๐๐ข๐๐
(melayang )
- 67446,56 ๐๐3
๐๐๐๐ข๐๐
( terapung )
0,064 ๐3
COB
(melayang)
Tidak ada
๐๐๐๐,2 = 86,95 ๐๐
๐๐๐๐,2 = 27,70 ๐๐
๐๐๐๐,2 = 26 ๐๐
COG
( terapung )
๐๐๐๐,1 = 25,99 ๐๐
๐๐๐๐,1 = 29,82 ๐๐
๐๐๐๐,1 = 86,97 ๐๐
Tidak ada
COB
( terapung ) Tidak ada
๐๐๐๐,1 = 86,95 ๐๐
๐๐๐๐,1 = 28,20 ๐๐
๐๐๐๐,1 = 26 ๐๐
Massa komponen 64.620,64 gr 67446.56 gr
Di dapat data yaitu : ๐ผ๐ฆ๐ฆ ๐๐๐๐ข๐๐
21005.56 ๐๐4 0,064 ๐3
โข ๐บ๐ = ๐ผ๐ฆ๐ฆ
๐๐๐๐ข๐๐โ ๐ถ๐๐ต โ ๐ถ๐๐บ
โข ๐บ๐ = 21005,56 ๐๐4
0,064 .106 ๐๐3โ โ28,2 + 29,82 = 1,94 ๐๐ ( ๐๐๐ ๐๐ก๐๐)
Tinggi Metacenter kapal selam
bernilai positif ( berada di atas
COG dan COB ) sehingga AUV
dapat dikatakan stabil
y
z
Perhitungan setting awal AUV >>
AUV Melayang didalam air dengan Sudut pitch 00
Initializing ( Setting Awal ) AUV didalam Air
Untuk faktor keamanan, maka Tekanan maksimal yang diijinkan untuk Tangki VBS dianalisa menggunakan metode elemen hingga dan data hasil simulasi divalidasi menggunakan perhitungan manual (hand calculation)
Hasil tekanan maksimal dipakai untuk menentukan berapa Volume air maksimal masing masing tangki ballast.
Gaya pada Penampang Melintang Tangki di bagian kiri
Gaya pada Penampang Melintang Tangki di bagian kanan
percobaa
n
Tensile
strength ,
yield
Pembebana
n ( tekanan
), gage
tegangan ๐๐
1
48.40e+06 Pa
727200 Pa 1.7063e+007
Pa 2.8
2 787800 Pa 1.8485e+007
Pa 2.6
3 808000 Pa 1.8959e+007
Pa 2.5
4 909000 Pa 2.1328e+007
Pa 2.2
5 1000000 Pa 2.3464e+007
Pa 2,04
๐๐ฆ,โ๐๐๐ ๐๐๐๐๐ข๐๐๐ก๐๐๐ = 2,3248 . 107๐๐
๐ ๐๐๐๐ ๐โ = ๐๐ฆ,โ๐๐๐ ๐๐๐๐๐ข๐๐๐ก๐๐๐โ ๐๐ฆ,๐น๐ธ๐
๐๐ฆ,๐น๐ธ๐ . 100%
๐ ๐๐๐๐ ๐โ = 2,3248โ2,3464 107 ๐๐
2,3464 . 107 ๐๐ . 100 % = 1,02 %
Hand calculation >>
Volume air maksimal tiap tangki
Perhitungan
๐ฝ๐๐๐ ๐๐๐ = ๐, ๐๐ . ๐๐โ๐๐๐
Perhitungan >>
โ๐๐๐ Sudut Pitch
Sudut Pitch ๐๐, ๐๐๐
๐ธ = ๐ ๐๐
๐๐๐
๐ = ๐๐๐๐ ๐๐๐
๐ป = ๐๐๐ ๐๐ต๐
Daya = ๐๐๐ ๐พ
Perhitungan >>
๐ ๐ซ๐๐๐๐๐ = ๐๐, ๐ ๐๐
๐ ๐ญ๐๐๐๐๐๐๐ = ๐๐ ๐๐
๐๐ญ๐๐๐๐๐๐๐ โฅ ๐, ๐ ๐๐
๐๐ซ๐๐๐๐๐ โฅ ๐, ๐๐ ๐๐
Perhitungan >>
Diameter Drive Shaft โฅ ๐, ๐๐ ๐๐
Perhitungan >>
Dalam subbab ini akan di jelaskan bagaimana
mekanisme shifting dan juga kontrol aliran air yang
masuk kedalam tangki ballast yang didukung dengan
sensor sebagai pendeteksi kondisi tangki dan kondisi
jelajah AUV
Measurement unit : - sensor posisi (accelerometer)
Data yang di dapat :
- kedalaman jelajah
- tekanan hidrostatis
Accelerometer
Penambahan Ballance Weight pada VBS membuat tinggi metacenter AUV
, ๐บ๐ > 0 yang membuat kecenderungan AUV untuk stabil di permukaan
air .
Tangki โ tangki VBS memiliki tekanan kerja sebesar 10bar dan
menghasilkan tegangan sebesar 2.3464e+007 Pa
Hasil validasi simulasi kekuatan struktur di banding dengan perhitungan
manual menghasilkan selisih nilai sebesar 1,02% sehingga di anggap valid.
AUV melayang di dalam air dengan sudut pitch sama dengan nol dengan
masing masing tangki VBS terisi air sebesar , ๐๐๐๐1 = 1,226 . 10โ3๐3 ,dan ๐๐๐๐2 = 1,599 . 10
โ3 ๐3,
AUV mampu mengubah letak titik berat ( Shifting ๐๐๐๐) dengan sudut
pitch maksimal -86 dan 81,27
AUV menghasilkan momen kopel maksimal sebesar 72,27 Nm dan -33,5
Nm
Torsi yang di butuhkan motor penggerak pompa sebesar 289 mNm
Daya yang di butuhkan masing masing pompa sebesar 108 W .
Untuk kedepanya , perlu di lanjutkan untuk
menganalisa parameter hidrodinamik seperti gaya drag
yang di kombinasikan dengan momen kopel maksimal
yang di hasilkan VBS.
Weight balance sebaiknya mampu menyesuaikan
keseimbangan dipermukaan air secara otomatis
menggunakan motor penggerak untuk pergeseran
weight ballancer.
๐โ๐๐๐ =106 ๐๐ .6,2 .10โ2 ๐
0,3 .10โ2 ๐
๐โ๐๐๐ = 2,06 . 107๐๐
๐๐๐๐๐ =106 ๐๐ .6,2 .10โ2 ๐
2 .0,3 .10โ2 ๐
๐๐๐๐๐ = 1,03 . 107๐๐
๐๐๐๐ =๐1.๐12
๐22โ๐12 +
๐12๐22 โ ๐1
๐2 ๐22โ๐12
๐๐๐๐ =106 ๐๐. 6,2 .10โ2 ๐
2
6,5 ๐ 2โ 6,2 ๐ 2 10โ4+[(6,2)(6,5)]2 โ 106 ๐๐
(6,2 ๐)2 6,52โ6,22 .
๐๐๐๐ = 0,5 . 107๐๐
๐๐ฆ = (๐โ๐๐๐โ๐๐๐๐๐)
2+ ๐๐๐๐๐โ๐๐๐๐2+(๐๐๐๐โ๐โ๐๐๐)
2
2
๐๐ฆ = 2,3248 . 107๐๐
Back >>
๐1๐1 = ๐๐๐๐ฅ๐2 , ( Adiabatik ) ๐1 ๐2 + ๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = ๐๐๐๐ฅ๐2
๐2 + ๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ =๐๐๐๐ฅ๐2๐1
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = ๐๐๐๐ฅ๐2๐1โ ๐2
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = (๐๐๐๐ฅ๐1โ 1)๐2
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = (๐๐๐๐ฅ๐1โ 1)๐1๐1๐๐๐๐ฅ
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = ๐1 โ๐1๐1๐๐๐๐ฅ
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = 2,826 . 10โ3๐3 โ 0,09 . 2,826 . 10โ3๐3
๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ = 2,56 . 10โ3๐3
Back >>
Tekanan maksimal tangki
๐พ๐๐๐ = ๐ญ๐ โ ๐พ๐จ๐ผ๐ฝ Volume Air ๐๐๐๐ . ๐ = 67446,56 ๐๐ โ 64620,64 ๐๐ . ๐ ๐๐๐๐ = 2825,92 ๐๐ dalam basis Volume di dapat :
๐ฝ๐๐๐ = ๐๐๐๐
๐๐๐๐ (4.2)
๐๐ด๐๐ = 2,825 ๐๐
1000 ๐๐๐3
= 2,825.10โ3๐3
Setting awal kesetimbangan AUV didalam air
Tangki 1 Tangki 2 Body AUV
๐๐๐๐๐๐ก,1 = 48,55 ๐๐
๐๐๐๐๐๐ก,2 = 120,64 ๐๐
๐๐ถ๐๐ต,2 = 86,97 ๐๐
Jarak inlet tangki depan terhadap nose
AUV
Jarak inlet tangki belakang terhadap
nose AUV
๐๐๐๐ = ๐1 + ๐2 =๐๐๐๐๐ด= 2,825 . 10โ3 ๐3
116,8 . 10โ4 ๐2
๐๐๐๐ = 0,24 ๐
๐๐ช๐ถ๐ฉ =๐๐จ ๐บ๐ ๐๐๐๐๐๐,๐ +
๐บ๐๐ + ๐๐จ ๐บ๐ ๐๐๐๐๐๐,๐ โ
๐บ๐๐
๐๐จ ๐บ๐๐๐
๐บ๐ = ๐๐ช๐ถ๐ฎ . ๐บ๐๐๐ โ ๐บ๐๐๐ ๐๐๐๐๐๐,๐ โ
๐บ๐๐๐๐
๐๐๐๐๐๐,๐ โ ๐๐๐๐๐๐,๐+๐บ ๐๐๐
๐1 =86,95 . 24 โ 24 120,64 โ 12
โ48,09
๐1 = 10,82 ๐๐
๐2 = ๐๐๐๐ โ ๐1 = 24 โ 10,82 = 13,18 ๐๐
๐๐๐๐1 = ๐ด๐1
๐๐๐๐1 = ๐0,122 2๐2
4 . 0,1082 ๐
๐๐๐๐1 = 1,264 . 10โ3๐3 < ๐ฝ๐๐๐ ๐๐๐
๐๐๐๐2 = ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐1 = 1,561 . 10โ3 ๐3 < ๐ฝ๐๐๐ ๐๐๐
Back >>
๐๐๐๐โฒ =
๐๐๐๐,1+ ๐๐๐๐,2 ๐0+ ๐๐๐๐,1+๐๐๐๐,2 ๐๐๐๐
2 ๐๐๐๐,1+๐๐๐๐,2
๐๐๐๐โฒ =
๐0+ ๐๐๐๐
2
๐๐๐๐โฒ =
29,82 ๐๐+27,13 ๐๐
2= 28,475 ๐๐
Pergeseran COG
๐๐ โ๐๐๐ก = 0,455โ0,44๐ 1
0,48 , 0 โค ๐บ๐ โค ๐บ๐๐๐ ๐๐๐
โฆ Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ ๐๐๐ = ๐๐ ๐๐
๐๐ โ๐๐๐ก = 0,455โ0,44 . 0,21 ๐
0,48= 0,75 ๐
โฆ Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ โ ๐บ๐๐๐ ๐๐๐ = ๐ ๐๐
๐๐ โ๐๐๐ก = 0,455โ0,44 . 0,03 ๐
0,48= 0,92 ๐
Jarak vertikal antara COG dengan COB
Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ ๐๐๐
๐ = ๐ก๐๐โ1 ๐๐๐๐โ ๐๐ โ๐๐๐ก
๐๐๐๐โ๐๐๐๐โฒ
๐ = ๐ก๐๐โ1 86,95โ75 ๐๐
27,7โ26,55 ๐๐
๐ = โ86
Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ โ ๐บ๐๐๐ ๐๐๐
๐ = ๐ก๐๐โ1 86,95โ92 ๐๐
27,7โ26,55 ๐๐
๐ = 81,27
Back >>
Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ ๐๐๐
โบ+ ๐ = ๐น๐ ๐โฒ. tan ๐
โบ+ ๐ = ๐๐๐๐ข๐๐ . ๐๐๐ข๐ฃ. ๐ ๐โฒ. tan ๐
โบ+ ๐ = 1000๐๐
๐3. 0,0674 ๐3. 9,8
๐
๐ 20,0115 ๐ . ๐ก๐๐ โ 860
โบ+ ๐ = โ108,62 ๐๐
Untuk ๐บ๐ = ๐บ๐๐๐ โ ๐บ๐๐๐ ๐๐๐
โบ+ ๐ = 1000๐๐
๐3. 0,0674 ๐3. 9,8
๐
๐ 20,0115 ๐. ๐ก๐๐ 81,270
โบ+ ๐ = 49,46 ๐๐
Back>>
Tekanan hidrostatis .
๐ = ๐๐๐๐ข๐๐ . ๐ . ๐ป
๐ = 1000๐๐
๐3 . 9,8
๐
๐ 2 . 3 ๐
๐ = 0,294 ๐๐๐ Kapasitas Aliran
๐ฃ = ๐๐๐๐ ๐๐๐ฅ
๐ก
๐ฃ = 0,21 ๐
30 ๐๐๐ก๐๐= 7 . 10โ3
๐
๐
๐ = ๐ฃ . ๐ด
๐ = 7 . 10โ3 ๐
๐ . 0.0116 ๐2
103 ๐๐๐ก๐๐
๐3 ๐๐๐ก๐๐
0,016 ๐๐๐
๐ = 5 ๐๐ก
๐๐๐
Menentukan RPM
๐ = ๐
๐ท๐ . ๐๐ฃ๐๐ .10โ3
๐ = 5 ๐๐ก
๐๐๐
1,5 ๐๐3
๐๐๐ฃ .0,93 .10โ3
๐ = 3584 ๐๐๐
Torsi yang di butuhkan
๐ = ๐ท๐ . โ๐
62,8 .๐๐
๐ =1,5 (๐๐2
๐๐๐ฃ) . (10๐๐๐โ0,294 ๐๐๐)
62,8 . 0,8= 289 ๐๐๐
๐ซ๐๐๐ ๐๐๐๐๐ = ๐ท๐ . ๐ . ๐๐ฃ๐๐ . โ๐ .10
โ3
600 ๐๐ก๐๐ก
= 1,5 ๐๐3
๐๐๐ฃ .3584 ๐๐๐ . 0,93 10 ๐๐๐โ0,294 ๐๐๐ 10โ3
600 .0,93 .0,8
= 108 ๐
Back >>
โข Menentukan Diameter Pitch Roda Gigi
๐2๐1= ๐1๐2
3584 ๐๐๐
3150 ๐๐๐= 19.5 ๐๐
๐2
๐2 =19.5 ๐๐ . 3150 ๐๐๐
3584 ๐๐๐
๐2 = 17, 13 ๐๐ โ 17 ๐๐
โข Menentukan Jumlah Gigi pada Roda
Gigi ๐1๐2= ๐๐ก1๐๐ก2
19,5 ๐๐
17 ๐๐ = 20
๐๐ก2
๐๐ก2 = 20 . 17 ๐๐
19,5 ๐๐
๐๐ก2 = 17,43 โ 18
โข Menentukan , ๐ซ๐๐
๐ท๐ก๐ = ๐๐ก1๐1
๐ท๐ก๐ = 20
19,5 . 10โ3 ๐ = 1,025 . 103 ๐โ1
โข Menentukan ๐ญ๐,๐ dan ๐ญ๐,๐
๐น๐ก,1 =๐ . 2
๐1
๐น๐ก,1 = 289 ๐๐๐ . 2
19,5 . 10โ3๐
๐น๐ก,1 = 29,641 ๐
๐น๐ก,2 =๐ . 2
๐2
๐น๐ก,2 = 289 ๐๐๐ . 2
17 . 10โ3๐
๐น๐ก,2 = 34 ๐
Menentukan Tebal Roda Gigi , ๐
๐1 โฅ ๐น๐ก,1 . ๐ท๐ก๐ . ๐ ๐
๐พ๐ . ๐๐ฆ๐ . ๐
๐1 โฅ 29,641 ๐ . 1,025 . 103 ๐โ1 . 2
1 . 425. 106 ๐๐ . 0,320
๐1 โฅ 0,44 ๐๐
๐2 โฅ ๐น๐ก,2 . ๐ท๐ก๐ . ๐ ๐
๐พ๐ . ๐๐ฆ๐ . ๐
๐2 โฅ 34 ๐ . 1,025 . 103 ๐โ1 . 2
1 . 425 . 106 ๐๐ . 0,320
๐2 โฅ 0,5 ๐๐ Back >>
โข Menghitung Momen Torsi
๐๐ก = 974000 ๐
๐
๐๐ก = 974000 108 . 10โ3 ๐พ๐
3150 ๐๐๐
๐๐ก = 33,39 ๐๐๐.๐๐ ๐๐ก = 0,332 ๐๐
โข Menentukan ๐ญ๐ dan ๐ญ๐
๐น๐ก =๐๐ก . 2
๐1
๐น๐ก = 0,332 ๐๐ . 2
19,5 . 10โ3๐
๐น๐ก = 34,05 ๐ ๐น๐ = ๐น๐ก tan 20
๐ ๐น๐ = 34,05. tan 20
๐ ๐น๐ = 12,39 ๐
โ+ ๐ญ๐ = ๐
๐ด๐ฅ + ๐ต๐ฅ โ ๐น๐ก = 0 ๐ด๐ฅ + ๐ต๐ฅ โ 34,05 ๐ = 0 ๐ด๐ฅ + ๐ต๐ฅ = 34,05 ๐
โป+ ๐๐ด = 0
34,05 ๐ 1,17 ๐๐ โ ๐ต๐ฅ 1,17๐๐ + 0,41๐๐ = 0
๐ต๐ฅ = 34,05 ๐ (1,17 ๐๐)
1,17 + 0,41 ๐๐
๐ต๐ฅ = 25,214 ๐ ๐ด๐ฅ = 34,05 ๐ โ ๐ต๐ฅ ๐ด๐ฅ = 34,05 ๐ โ 25,214 ๐ ๐ด๐ฅ = 8,836 ๐
โ+ ๐ญ๐ = ๐
๐ด๐ง + ๐ต๐ง โ 12,39 ๐ = 0 ๐ด๐ง + ๐ต๐ง = 12,39 ๐
โป+ ๐ด๐จ = ๐
12,39 ๐ 1,17 ๐๐ โ ๐ต๐ง 1,17 + 0,41 ๐๐ = 0
๐ต๐ง = 12,39 ๐ (1,17 ๐๐)
1,17 + 0,41 ๐๐
๐ต๐ง = 9,174 ๐ ๐ด๐ง = 12,39 ๐ โ ๐ต๐ง ๐ด๐ง = 12,39 ๐ โ 9,174 ๐ ๐ด๐ง = 3,215 ๐
Menghitung Momen Terbesar
๐๐ = (๐๐๐ก)2+ (๐๐๐)
2
๐๐ = (10,3 . 10โ2 ๐๐)2+ (3,761 . 10โ2 ๐๐)2 ๐๐ = 10,965 . 10โ2 ๐๐
๐๐ = 162 ๐๐
2 + 162 ๐๐ก2
๐2๐๐ . ๐๐ฆ๐๐ ๐
26
๐๐ =162 (10,965 . 10โ2 ๐๐)2+ 162 (0,332 ๐๐)2
๐21 . 515 . 106
๐๐2
2
26
๐๐ =3,0779 + 28,217
653753,1 . 1012
6
๐๐ โฅ 2,44 ๐๐
Back >>