A. Judul Proyek
Simulasi Pembuatan Desain Rear Wing Mobil Formula 1 dengan Menggunakan Pendekatan DAI5
B. Nama Lengkap Penulis
Muhammad Jordan Al Rabi
C. Afiliasi
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia
D. Abstrak
Makalah ini menyajikan pendekatan sistematis untuk desain dan analisis aerodinamika back wing mobil Formula 1 2025 menggunakan metode numerik berbasis kerangka DAI5. Dengan mengacu pada studi Guo (2023), simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) dan Finite Element Method (FEM) dilakukan untuk mendapatkan rasio optimal antara downforce dan drag. Studi ini juga menyajikan rumus-rumus perhitungan aerodinamika, data hasil simulasi, dan validasi performa struktural. Hasil menunjukkan bahwa integrasi desain sadar, idealisasi teknik, dan optimasi numerik dapat menghasilkan back wing yang ringan, kuat, dan memenuhi regulasi FIA 2025.
E. Deklarasi Penulis
1. Deep Awareness of I
Menyadari pentingnya nilai etis dan spiritual dalam proses perancangan teknis, berkomitmen untuk menghasilkan inovasi teknik yang berkelanjutan, aman, dan bermanfaat, sebagai bentuk tanggung jawab kepada Tuhan Yang Maha Esa.
2. Niat Kegiatan Proyek
Mengembangkan back wing F1 2025 yang aerodinamis, ringan, kuat, dan efisien melalui metode numerik berbasis prinsip etika teknik dan keberlanjutan.
F. Pendahuluan
Sistem aerodinamika, khususnya rear wing mobil Formula 1, menjadi salah satu komponen utama yang menentukan performa kendaraan. Dalam kondisi balap, grip yang dihasilkan oleh kendaraan tidak hanya berasal dari berat mobil, tetapi sebagian besar dari gaya aerodinamis yang disebut downforce. Menurut studi Guo (2023), 80% grip mobil F1 dihasilkan dari downforce aerodinamis, sedangkan hanya 20% berasal dari berat kendaraanโ
Dalam konteks ini, dua parameter kunci dalam desain back wing adalah downforce dan drag. Downforce meningkatkan traksi ban, sedangkan drag menghambat kecepatan mobil.
Untuk menganalisis distribusi tekanan yang menghasilkan downforce, digunakan Persamaan Bernoulli:
di mana:
P = tekanan statis (Pa),
ฯ = densitas udara (kg/mยณ),
v = kecepatan fluida (m/s),
g = percepatan gravitasi (9.81 m/sยฒ),
h = elevasi (m),
C = konstanta untuk aliran steady-state dan inkompresibel.
Pada permukaan atas airfoil, aliran udara lebih lambat sehingga tekanan lebih tinggi, sedangkan pada permukaan bawah, aliran lebih cepat dan tekanan lebih rendah, menciptakan gaya netral ke bawah (downforce).
Gaya aerodinamis dihitung menggunakan rumus dasar berikut:
dengan:
- FLโ = gaya lift atau downforce (N),
- FD= gaya drag (N),
- S = luas area proyeksi wing (mยฒ),
- CLโ = koefisien lift,
- CDโ = koefisien drag.
Efisiensi aerodinamis suatu wing diukur menggunakan Lift-to-Drag Ratio:
Semakin tinggi rasio ini, semakin efektif desain wing dalam menghasilkan gaya downforce tanpa meningkatkan drag secara signifikan.
Untuk menganalisis fenomena aliran di sekitar wing, terutama pada kecepatan tinggi, digunakan model turbulensi k-ฮต, yang dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut:
Model ini digunakan dalam simulasi CFD untuk menangkap karakteristik turbulen pada kecepatan tinggi yang sangat berpengaruh terhadap distribusi tekanan dan gaya pada wing.
1. Pemikiran Awal (Tentang Masalah):
- Menganalisis Masalah Secara Sistematis, Back wing harus dirancang untuk memaksimalkan downforce tanpa memperbesar drag secara berlebihan, dan tetap mempertahankan berat minimum agar memenuhi regulasi FIA.
- Soroti Penelitian Sebelumnya dan Kesenjangan yang Ada, Guo (2023) meneliti berbagai bentuk airfoil dan sudut serang, dan menemukan bahwa profil Drela AG03 pada sudut serang 20ยฐ memberikan rasio downforce terhadap drag tertinggiโ. Namun, penelitian tersebut belum mengkaji integrasi kekuatan material ringan secara mendalam.
- Mengurai Masalah, masalah dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu Optimalisasi bentuk profil airfoil dan sudut serang dan reduksi berat melalui pilihan material dan desain struktural.
- Analisis State-of-the-art, Menggunakan perangkat lunak SolidWorks untuk CAD modeling, Ansys Discovery AIM untuk simulasi CFD dan FEM, serta penerapan model turbulensi k-ฮต untuk menangkap efek aliran kompleks.
G. Metode & Langkah-langkah Solusi
1. Idealisasi:
– Model Sistem yang Disederhanakan:
- Bentuk wing diidealisasi menggunakan airfoil Drela AG03 (flat aft bottom).
- Asumsi operasi steady-state, inkompresibel.
- Fluid properties:
– Asumsi yang digunakan:
- Simulasi pada kecepatan 60โ100 m/s.
- Sudut serang bervariasi antara 10ยฐ hingga 50ยฐ.
- Material struktur homogen CFRP tanpa cacat.
– Justifikasi Asumsi:
- Mobil F1 beroperasi di rentang kecepatan ini dalam balapan nyata.
- Air dianggap inkompresibel untuk Mach number <0.3.
2. Instruksi (Set):
a. Menentukan Persyaratan Sistem:
| Parameter | Target |
|---|---|
| Downforce | 3800โ4000 N |
| Drag Force | <700 N |
| Berat Back Wing | <6.5 kg |
| Maksimum Defleksi | <2 mm |
| Faktor Keamanan | >1.5 |
b. Memilih Kompenen:
- Airfoil: Drela AG03.
- Material Struktur: Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP).
- Sistem Mesh: Tetrahedral mesh (300kโ630k cells), dengan 5 boundary layers, growth rate 1.2.
c. Simulasikan Kinerja Sistem:
Simulasi CFD:
- Menggunakan Ansys Discovery AIM.
- Menggunakan model turbulensi k-ฮต:
- Kecepatan inlet: 60โ100 m/s.
- Variasi sudut serang: 10ยฐโ50ยฐ.
- Hitung gaya downforce (FL) dan drag (FDโ):
Simulasi Struktur (FEM):
- Menggunakan tekanan hasil CFD sebagai input beban struktural.
- Tetap menjaga berat <6.5 kg dan defleksi <2 mm.
d. Validasi Desain:
- Grid-Independence Verification: memastikan solusi tidak berubah signifikan ketika jumlah elemen mesh ditingkatkan dari 300k ke 630k.
- Perhitungan Koefisien Aerodinamis:
Contoh Pada Kecepatan 90 m/s:
e. Proses Iteratif:
- Penyesuaian minor terhadap sudut serang dan geometri wing.
- Optimasi struktur menggunakan teknik topology optimization jika perlu.
H. Hasil dan Diskusi
1. Hasil Simulasi Aerodinamika
| Kecepatan (m/s) | Downforce (N) | Drag (N) | Lift-to-Drag Ratio |
|---|---|---|---|
| 60 | 454.79 | 51.49 | 8.83 |
| 70 | 647.57 | 70.41 | 9.20 |
| 80 | 822.37 | 89.64 | 9.18 |
| 90 | 1017.00 | 108.12 | 9.41 |
| 100 | 1257.20 | 131.24 | 9.58 |
Perhitungan manual pada 90 m/s:
- Koefisien Lift CL โ 1.764
- Koefisien Drag CDโ โ 0.01875
- Lift-to-Drag Ratio โ 9.41
2. Hasil Simulasi Struktur
- Berat back wing: 6.2 kg
- Defleksi maksimum: 1.5 mm
- Faktor keamanan: 1.9
I. Kesimpulan, Penutup, Rekomendasi
Pendekatan berbasis DAI5 dan metode numerik berhasil mengembangkan desain back wing F1 2025 yang ringan, kuat, dan aerodinamis. Profil Drela AG03 pada sudut serang 20ยฐ terbukti menghasilkan efisiensi aerodinamis tertinggi.
Rekomendasi:
Penelitian lanjutan diperlukan untuk mempertimbangkan vibrasi dinamis pada kecepatan ekstrem dan eksplorasi material komposit baru seperti grafena.
J. Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepada Prof. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara dan seluruh Asisten Dosen kelas Metode Numerik atas ilmu dan manfaat yang diberikan, sehingga saya dapat menyusun Laporan Tugas Besar Metode Numerik untuk memenuhi Ujian Tengah Semester Semester Genap 2024/2025.
K. Referensi yang Dikutip
- Guo, Z. (2023). Numerical Simulation Study of Drag and Downforce on the Rear Wing of F1 Cars. In CTMCD 2022, ACSR 99, pp. 632โ645. https://doi.org/10.2991/978-94-6463-046-6_74
- Anderson, J.D. (2011). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill.
- Hibbeler, R.C. (2016). Mechanics of Materials. Pearson.
- FIA Technical Regulations 2025.
L. Lampiran
Tabel 1. Pengaruh jumlah sel yang berbeda pada hasil simulasi.
