Nghiên Cứu Sự Ảnh Hưởng Của Kích Thước Và Biên Dạng Thân Cây Bông Súng Đến Ứng Dụng Của Ống Đa Diện.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

.+ẽ$/81771*+,3
1*ơ1+&é1*1*+.7+871+,7

1*+,ầ1&861++1*&$.ậ&+7+&
9ơ%,ầ1'1*7+ặ1&ặ<%é1*6ề1*11*
'1*&$1*$',1

*9+' 76 1*+ễ1*61
697+1*8<191+2ơ1*
9đ+2ơ1*+8<
1*8<17+$1+6$1*
+81++86ẩ1*
/ầ1*8<148$1*7+,7

+81+7+$1+7581*

SKL 0 0 7 9 8 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH
THƯỚC VÀ BIÊN DẠNG THÂN CÂY BƠNG SÚNG
ĐẾN ỨNG DỤNG CỦA ỐNG ĐA DIỆN
GVHD: TS. ĐẶNG HÙNG SƠN
SVTH

MSSV

Nguyễn Văn Hoàng

15147088

Võ Hoàng Huy

15147094

Nguyễn Thanh Sang

15147121

Huỳnh Hữu Sáng

15147122

Lê Nguyễn Quang Thiết

15147126

Huỳnh Thanh Trung

15147135

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên nghành: Công nghệ Kỹ thuật nhiệt

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH
THƯỚC VÀ BIÊN DẠNG CỦA THÂN CÂY BÔNG
SÚNG ĐẾN ỨNG DỤNG CỦA ỐNG ĐA DIỆN
GVHD: TS. ĐẶNG HÙNG SƠN
SVTH

MSSV

Nguyễn Văn Hoàng

15147088

Võ Hoàng Huy

15147094

Nguyễn Thanh Sang

15147121

Huỳnh Hữu Sáng

15147122

Lê Nguyễn Quang Thiết

15147126

Huỳnh Thanh Trung

15147135

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019


rTRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TP Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm .....

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin sinh viên
Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Văn Hoàng

MSSV: 15147088

Võ Hoàng Huy

MSSV: 15147094

Nguyễn Thanh Sang

MSSV: 15147121

Huỳnh Hữu Sáng

MSSV: 15147122

Lê Nguyễn Quang Thiết

MSSV: 15147127

Huỳnh Thanh Trung

MSSV: 15147135

Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật nhiệt
Mã ngành: 147

Hệ: Đại học chính quy
2. Thông tin đề tài
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân cây bơng
súng đến ứng dụng của ống đa diện
Mục đích của đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân
cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ Môn Công Nghệ Kĩ Thuật Nhiệt, Khoa Cơ Khí
Động Lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện: Từ ngày 25/03/2019 đến 20/07/2019
Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài
- Nhiệm vụ 1: Thu thập số liệu thực tế kích thước thân cây bông súng
- Nhiệm vụ 2: Xây dựng mô hình và tiến hành mơ phỏng
- Nhiệm vụ 3: Phân tích kết quả, xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố kích thước
và đưa ra mơ hình tốt nhất
i


1. Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi cam đoan ĐATN là cơng trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Đặng Hùng Sơn.
Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ cơng trình
nào khác.
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

………………………………………………
Xác nhận của Bộ Môn

Tp.HCM, ngày

tháng năm 2019

Giáo viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THUẬT TP. HCM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn: Cơ khí Động lực
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân cây bơng
súng đến ứng dụng của ống đa diện.
Họ tên sinh viên

Nguyễn Văn Hoàng

MSSV: 15147088

Võ Hoàng Huy

MSSV: 15147094

Nguyễn Thanh Sang

MSSV: 15147121

Huỳnh Hữu Sáng

MSSV: 15147122

Lê Nguyễn Quang Thiết

MSSV: 15147127

Huỳnh Thanh Trung

MSSV: 15147135

Chuyên nghành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Họ và tên GV hướng dẫn: TS. Đặng Hùng Sơn
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
iii


.......................................................................................................................................
2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu
có thể tiếp tục phát triển)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.3.Kết quả đạt được:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

iv

3. Đánh giá:
Mục đánh giá

TT

1.

Điểm
tối đa

Hình thức và kết cấu ĐATN

đạt
được

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

10

mục

2.

Điểm

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

5

thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc
quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc

15

thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

5

ngành…
3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2019

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

v


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THUẬT TP. HCM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn: Cơng nghệ Nhiệt – Điện lạnh
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân cây bông
súng đến ứng dụng của ống đa diện
Họ tên sinh viên

Nguyễn Văn Hoàng

MSSV: 15147088

Võ Hoàng Huy

MSSV: 15147094

Nguyễn Thanh Sang

MSSV: 15147121

Huỳnh Hữu Sáng

MSSV: 15147122

Lê Nguyễn Quang Thiết

MSSV: 15147127

Huỳnh Thanh Trung

MSSV: 15147135

Chuyên nghành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
Họ và tên GV phản biện: PGS.TS Hoàng An Quốc
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu
có thể tiếp tục phát triển)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
vi

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

vii


6. Đánh giá:
Mục đánh giá

TT
1.

Điểm

Điểm đạt

tối đa

được

Hình thức và kết cấu ĐATN

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

10

mục

2.

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

5

thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

15

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực
tế.
Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

5

ngành…
3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2019

Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)

viii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt bốn năm gắn bó tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, chúng
em đã được sự dạy dỗ ân cần, tận tình của Thầy Cơ giáo trong trường, đặc biệt là Thầy
Cô giáo trong bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh. Chúng em xin chân thành cảm ơn:
Toàn thể giáo viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã dạy dỗ, giúp đỡ

chúng em trong suốt q trình học tập.
Tồn thể Thầy Cơ bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh đã cung cấp cho chúng
em những kiến thưc bổ ích trong suốt quá trình học tập.
Gia đình, bạn bè đã cổ vũ, động viên chúng em trong suốt quá trình ngồi trên giảng
đường đại học.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Đặng Hùng Sơn
đã định hướng đề tài, có phương pháp hướng dẫn chúng em tiếp cận từng bước với
những điều mới lạ, những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu đã được
thầy giải đáp để chúng em có thể hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Trong suốt quá trình thực hiện đồ án chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thầy, các Cơ để để chúng em
có thể cải thiện cả về mặt kiến thức chuyên môn cũng như thái độ học tập và làm việc
sau này.

ix


TÓM TẮT
Trên thế giới, các nghiên cứu về thiết kế sinh học luôn là nguồn cảm hứng để cải
tiến các thiết bị hiện tại. Những nghiên cứu luôn hướng các thiết bị của con người hiện
đại hơn, tiện lợi và nhỏ gọn hơn. Nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được đầu tư vào lĩnh vực
này, các nghiên cứu dù có ý tưởng và thực hiện cũng chỉ ở mức thử nghiệm và tạo mơ
hình đơn giản. Đó là lí do mà chúng ta cần quan tâm nhiều hơn trong việc nghiên cứu
các lĩnh vực này nhiều hơn ở nước ta.
Trong quá trình nghiên cứu, chúng em đã áp dụng phương pháp nghiên cứu mới.
Chúng em bắt đầu từ việc thu thập thực tế các mẫu thân cây bông súng, sau đó tiến hành
đo và xây dựng dữ liệu kích thước các biên dạng mà thân cây bơng súng có. Từ những
dữ liệu kích thước thu được, chúng em sử dụng phương pháp quản lí thống kê Taguchi
để tổ hợp các kích thước và xây dựng các mơ hình thí nghiệm. Sau khi có dữ liệu kích
thước các thí nghiệm, chúng em tiến hành xây dựng mơ hình 3D trên phần mềm Inventor

2019. Vì tăng tính khách quan cho nghiên cứu, chúng em đã chạy phân phối ngẫu nhiên
các thông số đầu vào với phần mềm Matlab R2015a, và sau đó tiến hành mơ phỏng số
các mơ hình đã xây dựng và thống kê kết quả. Tiếp theo, chúng em tiếp tục xử lí số liệu
từ mơ phỏng số bằng phương pháp tính tay Taguchi, Anova và sử dụng phần mềm
Minitab 19 để kiểm tra lại kết quả. Cuối cùng, từ các kết quả phân tích ở trên, chúng em
sẽ kết luận các yếu tố ảnh hưởng nhất đến ứng dụng của ống đa diện và xây dựng nên
ba mơ hình tối ưu nhất cho ba khả năng của ống.
Sau quá trình nghiên cứu, mơ phỏng số và phân tích dữ liệu đạt được từ kết quả
mơ phỏng số, nhóm chúng em đã có những kết luận như sau:
- Yếu tố kích thước chiều dài biên dạng hình cánh hoa là yếu tố có ảnh hưởng lớn
nhất đến độ chênh nhiệt độ của ống đa diện. Và chúng em đã xây dựng được mơ hình
tối ưu cho nhiệt độ với kí hiệu mơ hình là: P13-P22-P31-P42-P52, và kết quả đạt được
sau q trình mơ phỏng với hiệu nhiệt độ t  85.621  25.336  60.285(0 C) .
- Yếu tố kích thước đường kính ngồi của ống đa diện là yếu tố có ảnh hưởng lớn
nhất đến độ chênh áp khi lưu chất chảy qua ống. Và chúng em đã xây dựng được mơ
hình tối ưu cho độ chênh áp với kí hiệu mơ hình là: P12-P22-P33-P41-P51, và kết quả
đạt được sau q trình mơ phỏng với hiệu áp suất p  7.752  (2.205)  9.957(kPa) .

x


- Yếu tố kích thước đường kính đường trịn lớn trong biên dạng cánh hoa là yếu tố
ảnh hưởng lớn nhất đến độ chênh vận tốc của lưu chất chảy qua ống. Và chúng em đã
xây dựng được mơ hình tối ưu cho độ chênh vận tốc với kí hiệu mơ hình là: P12-P23P32-P41-P53, và kết quả đạt được sau q trình mơ phỏng với hiệu vận tốc

v  3.313  0  3.313(m / s) .

xi

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................ix
TÓM TẮT ......................................................................................................................x
MỤC LỤC ................................................................................................................... xii
CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT..........................................................................................xv
MỤC LỤC BẢNG.......................................................................................................xvi
MỤC LỤC HÌNH ẢNH............................................................................................ xvii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................xix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu [1] ...................................................................1
1.1.1 Giới thiệu về thiết kế sinh học ...................................................................1
1.1.2 Giới thiệu về bông súng ..............................................................................1
1.2 Đối tượng và ứng dụng [1] .................................................................................2
1.2.1 Đối tượng .....................................................................................................2
1.2.2 Ứng dụng .....................................................................................................2
1.3 Phương hướng nghiên cứu .................................................................................4
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới ......................................................................4
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước ........................................................................6
1.4 Đề tài nghiên cứu ................................................................................................6
1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................6
1.4.2 Lí do chọn đề tài..........................................................................................6
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................7
1.4.4 Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................8
1.4.5 Các phương tiện hỗ trợ ..............................................................................8
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ..............................................................9
2.1 Các nghiên cứu trên thế giới các nghiên cứu trên giới ...................................9
2.1.1 Nghiên cứu bộ áo lượn trên không phỏng theo lồi sóc bay [2] .............9
2.1.2 Nghiên cứu tuabin gió phỏng theo cấu trúc của quả dầu [3]..................9
2.1.3 Nghiên cứu cải tiến thiết kế đầu tàu siêu tốc shinkansen phỏng theo
cấu trúc mỏ của chim bói cá [4]........................................................................10

2.1.4 Thiết kế và xây dựng nhà hát esplanade phỏng theo cấu trúc của quả
sầu riêng [5] ........................................................................................................11
2.1.5 Thiết kế tồ tháp truyền hình canton, quảng châu, trung quốc dựa
trên cấu trúc xương đùi của con người [6] ......................................................12
2.1.6 Cao ốc Eastgate được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối [7] ..............13
2.1.7 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của tuabin gió phỏng theo cấu tạo vây
của cá voi lưng gù [8] .........................................................................................14
xii


2.1.8 Thiết kế cabin phỏng sinh học giúp máy bay nhẹ hơn dựa trên cấu
trúc sinh học của nấm mốc [9] ..........................................................................16
2.1.9 Phát triển một chiếc xe phỏng sinh học dựa trên cấu trúc sinh học của
cá nắp hòm [10] ..................................................................................................17
2.1.10 Thiết kế bộ đồ bơi fastskin và bề mặt hạn chế vi khuẩn phát triển
dựa trên cảm hứng từ da cá mập [22]..............................................................18
2.2 Các nghiên cứu ở việt nam [12] .......................................................................19
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM .....................................20
3.1 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................20
3.1.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm...................................................20
3.1.2 Mơ hình tính tốn dịng chảy rối trong ansys [29] ................................23
3.2. Cơ sở thực nghiệm ...........................................................................................24
3.2.1 Phương pháp taguchi [35] ........................................................................24
3.2.1.1 Giới thiệu ...........................................................................................24
3.2.1.2 Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm ................................27
3.2.1.3 Các bước thực hiện ...........................................................................29
3.2.2 Phân tích phương sai anova (analysis of variance) [34] ........................33
3.2.2.1 Phân tích phương sai một yếu tố .....................................................34
3.2.2.2 Phân tích phương sai hai yếu tố ......................................................36
3.2.3 Phần mềm minitab [34] ............................................................................39

CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU ..............................................41
4.1 Mơ phỏng số ......................................................................................................41
4.1.1 Xây dựng mơ hình ống đa diện................................................................41
4.1.1.1 Giới thiệu về phần mềm inventor ....................................................41
4.1.1.2 Xây dựng mơ hình ống đa diện trên inventor 2019 .......................43
4.1.2 Xây dựng các thông số phân phối ngẫu nhiên .......................................47
4.1.2.1 Phần mềm matlab .............................................................................47
4.1.2.2 Phân phối ngẫu nghiên .....................................................................47
4.1.2.3 Dữ liệu phân phối ngẫu nhiên mô phỏng .......................................48
4.1.3 Tiến hành mô phỏng số ............................................................................49
4.1.3.1 Giới thiệu về phần mềm ansys .........................................................49
4.1.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng số trên phần mềm ansys...............50
4.1.3.2 Kết quả thu được từ mô phỏng .......................................................61
4.2 Xử lý số liệu theo taguchi .................................................................................65
4.2.1 Xử lí kết quả nhiệt độ sau q trình mơ phỏng .....................................66
4.2.2 Xử lí kết quả áp suất sau q trình mơ phỏng.......................................68
4.2.3 Xử lí kết quả vận tốc sau q trình mơ phỏng.......................................69
xiii


4.3 Xử lý số liệu bằng phần mềm minitab ............................................................70
4.3.1 Xử lí số liệu kết quả nhiệt độ bằng minitab ...........................................70
4.3.2 Xử lý số liệu kết quả áp suất bằng minitab ............................................71
4.3.3 Xử lý số liệu kết quả vận tốc bằng minitab ............................................73
4.4 Xử lý số liệu theo anova ...................................................................................75
4.4.1 Xử lý số liệu nhiệt độ theo anova.............................................................75
4.4.2 Xử lý số liệu áp suất theo anova ..............................................................77
4.4.3 Xử lý số liệu vận tốc theo anova ..............................................................78
4.5 Các model tối ưu ...............................................................................................78
4.5.1 Model tối ưu nhiệt độ ...............................................................................78

4.5.2 Model tối ưu áp suất .................................................................................80
4.5.3 Model tối ưu vận tốc .................................................................................82
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ...........................................................................................84
5.1 Kết luận .............................................................................................................84
5.2 Kiến nghị ...........................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................86

xiv


CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Các kí hiệu cơng thức
 i: số thứ tự thí nghiệm (Experiment number)
 u: số thứ tự thử nghiệm (Trial number)
 Ni: số thử nghiệm của một thí nghiệm thứ i (Number of trials for
experiment i)
 𝑥̅ : Trung bình chung của mẫu

 SN: Signal Noise Ratio

 SS1 : Độ lệch phương nhóm 1

 SS2 : Độ lệch phương nhóm 2

 SSk : Độ lệch phương nhóm k

 SST: Tổng các độ lệch bình phương chung

 SSK: Tổng các độ lệch bình phương giữa các nhóm

 SSH: Tổng các độ lệch bình phương giữa các nhóm

 SSE: Tổng các độ lệch bình phương phần dư

 SSW: Tổng các lệch phương

 MSW: Phương sai nội nhóm
 MSB: Phương sai giữa các nhóm
 MSK: Phương sai giữa các nhóm (cột)
 MSH: Phương sai giữa các khối (hàng)
 MSE: Phương sai phần dư
 Trial: Thử nghiệm
 STT: Số thứ tự
 Lv: mức độ (levels)

xv


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3. 1 Bảng Taguchi L27 năm yếu tố [36] ..............................................................28
Bảng 3. 2 Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi .........................................................30
Bảng 3. 3 Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị trung bình trial ................................31
Bảng 3. 4 Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN ....................................................32
Bảng 3. 5 Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN.............................................................33
Bảng 3. 6 Bảng phân tích Anova một yếu tố .................................................................34
Bảng 3. 7 Phân tích phương sai hai yếu tố ...................................................................36
Bảng 4. 1 Số liệu phân phối ngẫu nhiên thông số đầu vào ...........................................47
Bảng 4. 2 Dữ liệu đầu vào chuẩn bị cho q trình mơ phỏng ......................................48
Bảng 4. 3 Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness [28]...................................55
Bảng 4. 4 Kết quả nhiệt độ thu được .............................................................................62

Bảng 4. 5 Kết quả áp suất thu được ..............................................................................63
Bảng 4. 6 Kết quả vận tốc thu được ..............................................................................64
Bảng 4. 7 Phân tích S/N cho nhiệt độ ............................................................................66
Bảng 4. 8 Phân tích S/N và sự ảnh hưởng của các yếu tố đến nhiệt độ........................67
Bảng 4. 9 Phân tích S/N cho áp suất .............................................................................68
Bảng 4. 10 Phân tích S/N và sự ảnh hưởng của các yếu tố đến áp suất .......................68
Bảng 4. 11 Phân tích S/N cho vận tốc ...........................................................................69
Bảng 4. 12 Phân tích S/N và sự ảnh hưởng của các yếu tố đến vận tốc .......................69
Bảng 4. 13 Bảng tính tốn Anova từ Minitab 19 ...........................................................70
Bảng 4. 14 Bảng tính tốn Anova từ Minitab 19 ...........................................................71
Bảng 4. 15 Bảng tính tốn Anova từ Minitab 19 ...........................................................73
Bảng 4. 16 Số liệu kích thước ống đa dện .....................................................................78
Bảng 4. 17 Số liệu kích thước ống đa dện .....................................................................80
Bảng 4. 18 Số liệu kích thước ống đa dện .....................................................................82

xvi


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ lồi chim [1] .........................................3
Hình 1. 2 Khóa dán (khóa velcro) [1] .............................................................................3
Hình 1. 3 Dự án BioArch [1] ...........................................................................................4
Hình 2. 1 Bộ áo lượn trên khơng [16] .............................................................................9
Hình 2. 2 Nghiên cứu tuabin gió theo thiết kế sinh học của quả dầu [3] .....................10
Hình 2. 3 Cải tiến đầu tàu cao tốc dựa trên thiết kế sinh học của mỏ chim bói cá [4] 10
Hình 2. 4 Nhà hát Esplanade [17] ................................................................................11
Hình 2. 5 Tháp truyền hình Canton [18] .......................................................................13
Hình 2. 6 Trung tâm Eastgate [7] .................................................................................14
Hình 2. 7 Cánh của tuabin gió [19] ..............................................................................15
Hình 2. 8 Mơ hình cabin phỏng sinh học nấm mốc [20]...............................................16

Hình 2. 9 Thiết kế cải tiến kiểu dáng khí động của xe dựa trên thiết kế sinh học của cá
nắp hịm [21] .................................................................................................................17
Hình 2. 10 Đồ bơi được phát triển dựa trên thiết kế sinh học của da cá mập [11] ......18
Hình 2. 11 Mơ hình bàn tay bionic [23] ........................................................................19
Hình 3. 1 Quá trình thu thập, đo đạt dữ liệu kích thước thân cây bơng súng ...............23
Hình 3. 2 Phần mềm Minitap 19 mới nhất [34] ............................................................40
Hình 3. 3 Vẽ đồ thị của phần mềm [34] ........................................................................40
Hình 3. 4 Chức năng DOE của Minitap [34] ................................................................40
Hình 4. 1 Giao diện chính của Inventor ........................................................................43
Hình 4. 2 Bản vẽ phát thảo tiết diện của ống đa diện ...................................................43
Hình 4. 3 Dựng khối ống đa diện từ tiết diện 2D ..........................................................44
Hình 4. 4 Vẽ biên dạng bộ góp ......................................................................................44
Hình 4. 5 Dựng bộ góp ..................................................................................................45
Hình 4. 6 Hồn thành mơ hình ống đa diện thân cây bơng súng ..................................45
Hình 4. 7 Điền khối vào phần rỗng của mơ hình ống đa diện ......................................46
Hình 4. 8 Chọn thuộc tính vật liệu cho mơ hình hồn chỉnh .........................................46
Hình 4. 9 Giao diện Ansys Workbench 2014 .................................................................51
Hình 4. 10 Nhập mơ hình vào cơng cụ Geometry .........................................................51
Hình 4. 11 Đặt tên và chọn thuộc tính cho các phần tử của mơ hình ...........................52
Hình 4. 12 Nhóm các phần tử rời rạc của mơ hình thành khối thống nhất ..................52
Hình 4. 13 Cơng cụ Mesh và truyền dữ liệu cho Mesh .................................................53
Hình 4. 14 Các tuỳ chọn trước khi chia lưới mơ hình ...................................................53
xvii


Hình 4. 15 Bắt đầu chia lưới và mơ hình đã chia lưới hồn thành ...............................54
Hình 4. 16 Thơng số kiểm tra chất lượng của lưới .......................................................54
Hình 4. 17 Thiết lập điều kiện chung cho mơ hình........................................................55
Hình 4. 18 Tuỳ chọn mơ hình tính tốn mơ phỏng thích hợp ........................................56
Hình 4. 19 Thiết lập thuộc tính vật liệu cho mơ hình ....................................................56

Hình 4. 20 Gán thuộc tính vật liệu cho từng phần tử trong mơ hình ............................57
Hình 4. 21 Thiết lập điều kiện biên cho mơ hình tính tốn ...........................................57
Hình 4. 22 Thiết lập trạng thái ban đầu của giải pháp .................................................58
Hình 4. 23 Thiết lập thống số cho quá trình tính tốn ..................................................58
Hình 4. 24 Kết quả nhiệt độ sau mơ phỏng ...................................................................59
Hình 4. 25 Kết quả mặt cắt ngang nhiệt độ...................................................................59
Hình 4. 26 Kết quả áp suất sau mơ phỏng ....................................................................60
Hình 4. 27 Kết quả mặt cắt ngang áp suất ....................................................................60
Hình 4. 28 Kết quả vận tốc sau mơ phỏng ....................................................................61
Hình 4. 29 Kết quả vận tốc biểu thị theo vector ............................................................61
Hình 4. 30 Biểu đồ ảnh hưởng theo giá trị Mean .........................................................70
Hình 4. 31 Biểu đồ SN nhiệt độ .....................................................................................71
Hình 4. 32 Biểu đồ ảnh hưởng theo giá trị Mean .........................................................72
Hình 4. 33 Biểu đồ SN của áp suất ................................................................................72
Hình 4. 34 Biểu đồ ảnh hưởng theo giá trị Mean .........................................................73
Hình 4. 35 Biểu đồ SN của vận tốc ................................................................................74
Hình 4. 36 Kết quả nhiệt độ...........................................................................................78
Hình 4. 37 Kết quả mặt cắt dọc nhiệt độ của mô hình tối ưu nhiệt độ..........................79
Hình 4. 38 Kết quả mặt cắt ngang nhiệt độ của mơ hình tối ưu nhiệt độ .....................79
Hình 4. 39 Kết quả áp suất ............................................................................................80
Hình 4. 40 Kết quả mặt cắt dọc áp suất của mô hình tối ưu áp suất ............................81
Hình 4. 41 Kết quả mặt cắt ngang áp suất của mơ hình tối ưu áp suất ........................81
Hình 4. 42 Kết quả vận tốc ............................................................................................82
Hình 4. 43 Kết quả mặt cắt dọc vận tốc của mơ hình tối ưu vận tốc ............................83
Hình 4. 44 Kết quả mặt vận tốc biểu diễn theo vector ..................................................83

xviii


MỞ ĐẦU

Công nghệ nhiệt điện lạnh là ngành học nghiên cứu về các hệ thống nhiệt, hệ thống
lạnh, ứng dụng khoa học kỹ thuật để thiết kế, vận hành các hệ thống, trang thiết bị nhiệt
- lạnh, phục vụ cho nhu cầu cuộc sống con người cũng như sản xuất cơng nghiệp. Kỹ sư
nhiệt điện lạnh phải có khả năng thiết kế, chế tạo, lắp đặt, sửa chữa, vận hành, bảo trì
các thiết bị có liên quan đến ngành như: hệ thống nhiệt, hệ thống lạnh, kỹ thuật điều hồ
khơng khí, phương pháp tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo…
Sinh viên chuyên ngành cần phải trang bị những kiến thức nền tảng về nguyên lý
làm việc và cấu tạo của các thiết bị trong các hệ thống điều hoà khơng khí, hệ thống lạnh
cơng nghiệp, hệ thống nhiệt cơng nghiệp, nhà máy nhiệt điện, cũng như các hệ thống
năng lượng tái tạo, thu hồi nhiệt thải, vấn đề tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng
và những kiến thức chuyên ngành ở mức độ phù hợp để có thể hiểu được tầm ảnh hưởng
của các giải pháp kỹ thuật trong các vấn đề kinh tế, môi trường và xã hội.
Từ những nghiên cứu nước ngoài, lĩnh vực thiết kế sinh học đã cho chúng em thấy
được sự thú vị về các cấu trúc tự nhiên. Từ các ý tưởng ban đầu được gợi ý từ TS. Đặng
Hùng Sơn nhóm đã quyết định thực hiện đề tài khơng kém phần mới lạ này. Song song
với việc áp dụng phương pháp nghiên cứu mới với mong muốn tạo nên sự đổi mới các
phương pháp nghiên cứu cũ.
Trong lần tình cờ chú ý đến cấu trúc thân cây bông súng, TS. Đặng Hùng Sơn đã
quyết định chọn làm đề tài nghiên cứu và chúng em may mắn được nhận đề tài này. Mục
đích nhóm đặt ra khi nghiên cứu là tạo ra một ống đa diện có cấu trúc phỏng theo thân
cây bơng súng với những đặc tính vượt trội hơn về độ chênh nhiệt độ, độ chênh áp và
biến thiên vận tốc của lưu chất trong ống đa diện.
Phương hướng đầu tiên nhóm lập nên trước khi thực hiện là thu thập thực tế các
mẫu thân cây bông súng, đo lại kích thước, chọn các yếu tố kích thước quan trọng và
thiết kế mơ hình 3D, chạy mơ phỏng số, phân tích, xử lí kết quả và tìm ra những tổ hợp
thiết kế tốt nhất cho từng điều kiện đặt ra ban đầu.

xix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu [1]
1.1.1 Giới thiệu về thiết kế sinh học
Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các
hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật
cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng
những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các
cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh
học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng
sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống
thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời…
Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi
các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950. Trong
một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ
thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ
thực sự xuất hiện vào năm 1982.
Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi
các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên:
Biomimicry: Innovation Inspired by Nature
Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp,
chỉ riêng hình dáng của sinh vật thơi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Đã có rất
nhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật.
1.1.2 Giới thiệu về bơng súng
Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng
Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp
Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)
Cây Bơng Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ. Cây đã lan rộng qua các
nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp
trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma.
Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền.

1


Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình trịn hay xoan, bìa có răng cưa thưa,
mặt dưới khơng lơng có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng. Lá
cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình trịn, có gân to trịn, nổi rõ ở mặt dưới của lá. Thân
bơng súng có tiết diện ngồi hình trịn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của
thân.
1.2 Đối tượng và ứng dụng [1]
1.2.1 Đối tượng
Thiết kế sinh học được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế ra các cấu trúc nhân
tạo mới ưu việt hơn. Việc mô phỏng lại cấu trúc sinh học của các sinh vật để đưa vào
thiết kế, việc này có thể giải quyết các vấn đề thường gặp trong thực tế như nâng cao
khả năng chịu lực, tự làm mát, tự hồi phục,…hay thu nhỏ kích thước của một số sản
phẩm.
Trong bài nghiên cứu lần này, chúng em dựa vào cấu trúc của thân cây bông súng
để thiết kế nên một ống trao đổi nhiệt với mong muốn sẽ cải thiện khả năng trao đổi
nhiệt, dòng chảy lưu chất và thu nhỏ kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt thông thường.
1.2.2 Ứng dụng
Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo:
* Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của
các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một
chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan
trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những
quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình. Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những
người thực sự thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn
cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay.

2

Hình 1. 1 Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [1]
* Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh
học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt
nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đơi giày hoặc cái áo khốc nào đó của bạn đã cũ và sờn
rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách khơng thể dễ dàng
hơn. Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de
Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những
quả gai trên bộ lơng chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau.

Hình 1. 2 Khóa dán (khóa velcro) [1]
Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát
minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi.

3