Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)

PENDAHULUAN

Saat kru astronot ingin pulang ke bumi mereka menggunakan suatu transportasi bernama space capsule. Kapsul ini akan meluncur dari lapisan termosfer menuju troposfer. Saat sudah mencapai troposfer dan kapsule sudah mencapai terminal velocity, kapsul akan mengeluarkan parasut untuk memperlambat laju kapsul. Kapsul ini akan mendarat di laut dan akan ada kapal yang mengevakuasi kru di dalam kapsul..

Kapsul ini harus tahan beban impact ketika mendarat di laut. Designer dari kapsul ini juga harus memastikan bahwa kapsul tidak mengalami perubahan percepatan secara mendadak ketika mendarat. Perubahan percepatan yang mendadak ini akan membuat kru di dalam mengalami ketidak nyamanan. Pada simulasi ini penulis akan melakukan water landing pada kapsul Apollo menggunakan LS Dyna. Tujuan dari simulasi ini untuk melihat berapa stress yang muncul ketika mendarat dan berapa percepatan yang dialami oleh kapsul. Metode simulasi ini menggunakan Arbitrary Lagrangian Element (ALE).

PRE-PROCESSING

Terdapat tiga buah domain yang digunakan yaitu udara, air, dan kapsul apollo berbentuk surface. Domain udara dan air harus diberi shared topology agar nodesnya nyambung. Kapsul Apollo akan dibuat melayang diatas permukaan air. Kapsul Apollo tersebut juga diberi kemiringan. Sudut kemiringan kapsul ketika mendarat ini juga bisa dijadikan variable yang berubah. Domain fluida dan kapsul dibuat overlap. Dengan kata lain domain fluida akan menelan surface kapsul.

Jenis element yang digunakan pada domain udara dan air berupa solid element. Bentuk domain fluida berupa kotak dan menggunakan element hexahedral. Jenis element yang digunakan kapsul Apollo berupa shell element dan berbentuk hex dan prism element. Shell element ini akan diberikan thickness pada saat diset-up.

SETUP

Karena kapsul mendarat dengan kecepatan yang cukup pelan (karena diperlambat oleh parasut) maka kita bisa prediksi kapsul masih berada di daerah elastis. Jadi kita cukup menggunakan properti material elastis. Pada simulasi ini penulis menggunakan template material dari Ansys yaitu baja struktur. Air dapat diambil di Engineering sources, lalu ke explicit material library, lalu tambahkan WATER2. Pada simulasi impact struktur di air, kita perlu mendefinisikan sifat air tersebut ketika terkena beban. Sifat air tersebut diatur oleh koefisien Gruinesen.

Kapsul diberi kecepatan dengan magnitudo 10.748 m/s membentuk arah 45° menukik ke bawah. Domain fluida harus diberi section dengan method ALE dengan formulation 1 point integratoin with single material and void. Body void berikan pada udara. Void ini akan mengabaikan efek udara (seolah-olah udara tidak ikut disimulasi). Seluruh permukaan domain fluida diberi ALE boundary. ALE boundary ini semacam dinding pembatas agar tidak ada fluida yang masuk/keluar. Body diberi result tracker agar kita bisa melihat reaksi kecepatan/percepatan dari kapsul Apollo. Coupling akan membuat kedua domain bisa saling berinteraksi. Ketika kapsul menabrak air maka akan ada riak air dan pada permukaan kapsul akan muncul stress. Jika kita ingin mengetahui energi dalam dan energi kinetik yang muncul saat mendarat, kita bisa menambahan kinetic energy dan internal energy pada solution infomartion.

POST-PROCESSING

Sesaat sebelum mendarat kapsul hanya mempunyai energi kinetik. Saat kapsul mulai menabrak permukaan air laut, energi kinetiknya perlahan mulai berubah menjadi energi dalam seperti pada gambar 12. Saat itu juga permukaan kapsul mulai mengalami stress akibat gaya reaksi dari air. Stress yang muncul dapat dilihat pada gambar 13, rata-rata stress yang muncul pada bagian bawah kapsul masih berada dibawah yield strength (250 MPa). Gambar 14 menunjukan animasi pendaratan kapsul disertai riak air yang muncul menggunakan Ansys Ensight. Ansys Ensight merupakan sebuah software post-processing dari Ansys. Software tersebut dapat melakukan post-processing pada semua produk software Ansys.

Referensi

John T. Wang, Karen H. Lyle. Simulating Space Capsule Water Landing with Explicit Finite Element Method. NASA Langley Research Center.