BÀI tập THIẾT kế tối ưu và TIN học ỨNG DỤNG (PHÁT MINH SÁNG CHẾ)

Bài tập Thiết kế tối ưu và Phát minh sáng chế

Trang
1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÀI TẬP
THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ TIN HỌC ỨNG DỤNG
Gi¸o viªn hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Viết Trung
Học viªn thực hiện

: Trần Quốc Tuấn

Lớp : X©y dựng đường « t« và đường TP - K16

Hà Nội: 9/2009
Học viên: Trần Quốc Tuấn
đường ôtô và Đường TP - K16

Lớp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
2

Thiết kế ranh thoát nớc

I. Đặt vấn đề

Khi xây dựng đờng dặc biệt là đờng miền núi và vùng trung du, khối lợng xây
dựng và giá thành các công trình thoát nớc trên đờng chiếm một phần đáng kể
trong tổng giấ thành xây dựng. Trong những công trình này phần dẫn nớc từ nơi
cao xuống thấp tại nơi có địa hình dốc các công trình thủy lực nh bậc nớc, dốc nớcthờng đợc sử dụng. Khi dòng nớc đổ xuống hạ lu, phần năng lợng thừa biến
thành động năng, vận tốc tăng lên, nên ngay sau lòng dẫn bị xói lở nghiêm trọng
ảnh hởng đến an toàn công trình. Do vậy nhiệm vụ tính toán tiêu năng là phải tìm
biện pháp tiêu huỷ năng lợng của dòng chảy, điều chỉnh lại sự phân bố lu tốc, làm
giảm mạch động để dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất,
rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lu. Thiết kế tiêu năng phải đảm bảo mục tiêu trên, tuy
nhiên thiết kế phải hợp lý và tiết kiệm vật liệu nhất .
II.nội dung bàI toán

Thiết kế dốc nớc BT+ bể tiêu năng mặt cắt chữ nhật với hàm mục tiêu là giá thành.

a2

a1

a3

a4

a1

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd

Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
3

a7
a5

a8

a6

a5

Mặt cắt ngang dốc nớc và bể tiêu năng

a1: Chiều dày vách dốc (m)
a2: Chiều rộng thân dốc (m)
a3: Chiều dày đáy dốc (m)
a4: Chiều cao thân dốc (m)
a5: Chiều dày thành bể (m)
a6: Chiều sâu bể (m)
a7: Bề rộng đáy bể (m)
a8: Chiều dày đáy bể (m)
2
1. Xác định bề rộng đáy có lợi nhất của dốc nớc a2: a 2 = 0,7655 QTK

2. Kiểm tra lu lợng và lu tốc chảy trong thân dốc:

- Tính chiều sâu dòng chảy trong thân dốc: a 4 =

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Q

= TK
a 2 vCP .a 2

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
4

- Xác định lu lợng dòng chảy trong thân dốc:

QTT = v.
v = C R.id ; ( R =

a 2 .a 4
1
;C =
a 2 + 2.a 4
a.nb

a 2 .a 4

a 2 + 2.a 4

1
6


)


QTT QTK
100% < 5% . Chiều sâu a4 là đạt.
QTK
QTT QTK
100% > 5% => tăng chiều sâu a4 và tính lại.
QTK
3. Tính độ sâu đầu dốc (không có ngỡng)
- Dốc không có ngỡng nên độ sâu đầu dốc là độ sâu phân giới hk:

Q 2
hk = 3
; =1
gb 2
4. Tính độ sâu cuối dốc

- Tính chiều dài đờng mặt nớc l:


l=
iJ

= 0 k
Với

J=

J0 + Jk
2

+ Nếu chiều dài đờng mặt nớc < chiều dài cuối dốc=> Dốc dài, độ sâu cuối dốc
hcd=a4.
+ Nếu chiều dài đờng mặt nớc > chiều dài cuối dốc=> Dốc ngắn, độ sâu cuối dốc
hcd>a4.
5. Kiểm tra xem có phải làm công trình tiêu năng không.
- Tính độ sâu liên hợp với độ sâu trớc nớc nhảy h= a4( độ sâu cuối dốc )


8hk3
h'
h" =
1 + 3 1

2
h'

- Tính độ sâu nớc hạ lu công trình hh. Biết QTK , a7 (= bh) ,ih bằng phơng pháp thử
dần xác định đợc hh.
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
5

- Nếu h>hh thì phải làm CT tiêu năng (Bể tiêu năng)
6. Tính toán tiêu năng:
Kích thớc bể tiêu năng ( chiều sâu bể a6, chiều dài bể Lb)
+ Tính chiều sâu bể tiêu năng:
- Giả sử chiều sâu bể d=h - hh
- Tính chiều sâu liên hợp hc: hc=E01.c

vtt2
Trong đó: E 01 = a 4 +
+ a6
2g
=> tra bảng thông qua F( ) : F ( c ) =
c

c

2
QTK
- Tính : z =
2g

1

1
2 2 '' 2
a .h
7 h (hc )

QTK
a 7 .1,1.( E 01 )

3
2






- Tính lại chiều sâu bể: d 1 = 1,1hc'' ( hh + z )
Nếu

d d1
100% < 5% a 6 = d1
d

QTK
d d1
F
(

)
=

; E02 = E01 + d1
c
3
Nếu
100% > 5% Tính lại từ
d
a 7 .1,1.( E 02 ) 2

+ Tính chiều dài bể;
- Tính

L1 = vCP

2.a 6 + a 4
(Theo L.A Baraxh)
g

2
v
CP
- Tính L2 = 3 ( a 4 +
).a 6 ( Theo Khu Tin)
2g

Vậy Lbể= min(L1. L2)
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd

Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
6

8. Điều kiện ràng buộc:

1. vTT vCP
2. QTT QTK
3. Lbe = min( L1 , L2 )
9. Hàm mục tiêu:
Mục tiêu= giá 1m3 BT[2a1.a4+(a2+2a1).a3 ]Ld+ giá 1m3 đá xây(2a5.a6+a7.a8 )Lbe
III.thiết kế chơng trình

1. Số liệu đầu vào:
Nhập số liệu chọn kích thớc mặt cắt dốc nớc và bể tiêu năng: a1, a3, a5, a7, a8,
QTK : Lu lợng thiết kế
VCP : vận tốc cho phép
Ld : Chiều dài dốc
id : Độ dốc dốc nớc
a : Hệ số cuốn khí
nb : độ nhám BT
ih : độ dốc đáy hạ lu
Giá thành 1m3 BT, 1m3 đá xây:

2. Số liệu đầu ra:
a1 a8 và giá thành: cha tối u
a1 a8 và giá thành: đã tối u
3. Sơ đồ khối:

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bài tập Thiết kế tối ưu và Phát minh sáng chế

Học viên: Trần Quốc Tuấn
đường ôtô và Đường TP - K16

Trang
7

Lớp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
8

4. Cấu trúc chơng trình:
Chơng trình cấu trúc thành các mô đun:
1. Giới thiệu
2. Nhập số liệu và khai báo hằng số.
3. Tính toán
4. Kiểm tra điều kiện ràng buộc.
5. Tính toán hàm mục tiêu

6. In kết quả

Bài tập sáng chế 1
Bài làm : Tôi chọn cái tủ lạnh. Trong tủ lạnh đã áp dụng các qui tắc
sáng chế nh sau

1. Qui tắc làm ngợc lại : Tủ lạnh làm cho các đồ vật đặt trong nó lạnh đi, ngợc lại
với sự làm việc của máy nớng là làm cho các đồ vật nóng lên.

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
9

2. Qui tắc chuyển đổi giữa các trạng thái hoạt động : Sự hoạt động của tủ lạnh đã
biến thể lỏng thành thể khí và rắn.
3. Qui tắc áp dụng các trờng vật lý khác nhau : Trong tủ lạnh đã áp dụng qui tắc
này đó là biến điện năng thành nhiệt năng.
4. Qui tắc ghép một số chức năng vào trong cá thể : Trong tủ lạnh đã áp dụng qui
tắc này đó là ghép thêm bộ phận tạo đá lạnh, lắp thêm bóng đèn để khi mở cửa tủ
lạnh thì bóng sáng, đóng lại thì bóng tắt.
5. Qui tắc sử dụng nhiều loại vật liệu : Trong tủ lạnh đã sử dụng nhiều loại vật liệu
để chế tạo nh : kim loại, nhựa, cao su, thuỷ tinh
6. Qui tắc phân đoạn thời gian hoạt động của các bộ phận và loại bỏ chúng khi

không cần thiết : Trong tủ lạnh có rơle tự động làm giảm công suất của máy khi các
đồ vật đặt trong tủ lạnh giảm nhiệt độ đến một nhiệt độ giới hạn nào đó.
7. Qui tắc thay đổi vai trò các bộ phận tuỳ theo hoàn cảnh sử dụng, chức năng hoạt
động : Trong tủ lạnh đã áp dụng qui tắc này để chế tạo cánh cửa.
Sau đây tôi xin trình bày một qui tắc sáng chế thêm cho tủ lạnh đó là qui tắc
ghép thêm một số chức năng. Tôi sẽ ghép thêm vào tủ lạnh thiết bị có thể đun đợc
nớc nóng và thiết bị có thể điều hoà không khí trong nhà để biến cái tủ lạnh thành
một máy đa chức năng.

bài SNG CHsố 2
Mỗi học viên chọn 1 cái máy trong đó có 7 thuật toán sáng chế
Bài làm
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
10

Máy đợc chọn là điện thoại di động
Các thuật toán sáng chế nh sau:
1- Thử nghiệm minnimum và maximum : Dùng thử nghiệm này để chọn ra
tần số, biên độ sóng thích hợp không ảnh hởng đến sức khỏe của ngời sử
dụng
2- Ghép các chức năng vào 1 cá thể : Ghép các chức năng mới nh chụp ảnh,
nghe Radio vào trong điện thoại.

3- Sử dụng nhiều loại vật liệu tùy thuộc vào chức năng làm việc của bộ phận:
Tạo ra thiết bị có nhiều tính năng hoạt động.
4- Sử dụng nhiều loại vật liệu tổng hợp : Thu nhỏ kích thớc
5- áp dụng nguyên lý hoạt động của sóng điện từ
6- Giảm tốc độ của phản ứng điện hóa : Tăng dung lợng pin
7- Thay đổi những gì chúng ta quen thuộc : áp dụng nhiều kiểu chuông điện
thoại khác vói kiểu truyền thống tạo sự sinh động mới.

8- Thay đổi vị trí của các bộ phận tùy theo hoàn cảnh sử dụng : Có thể áp dụng
tính năng này để chế tạo bộ phận ống kính chụp ảnh có độ Zoom khác nhau,
tăng thị trờng của ống kính.

Bài tập 1
BàI TOáN THIếT Kế TốI ƯU
MặT CắT MộT CộT KíN, CHịU NéN ĐúNG TÂM, LIÊN KếT BằNG HàN

I. GIớI THIệU TổNG QUAN Về BàI TOáN:
Đây là bài toán tính toán thiết kế tối u các thông số mặt cắt của một cột
kín, chịu nén đúng tâm, liên kết bằng hàn. Kết quả bài toán sẽ cho biết những
kích thớc tối u của mặt cắt của một cột kín, t ơng ứng với diện tích cần thiết
của mặt cắt là nhỏ nhất, nghĩa là giá thành kết cấu là rẻ nhất.
II. NộI DUNG Kỹ THUậT CủA BàI TOáN:
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
11

Thông thờng khi thiết kế chọn mặt cắt của một kết cấu nào đó thì ng ời
kỹ s thờng chọn trớc các kích thớc của kết cấu theo cấu tạo và kinh nghiệm,
sau đó tính duyệt và sửa đổi dần đến lúc kết quả là chấp nhận đ ợc. Điều này
chắc chắn cha thể cho phép ngời kỹ s chọn đợc các kích thớc tối u của mặt cắt
và nh vậy đơng nhiên là giá thành công trình sẽ không phải là thấp nhất.
Cấu tạo về hình thức của mặt cắt rất đa dạng, vậy sau khi đã xác định
đợc hình thức mặt cắt và chiều dài tính toán của cột, thì cần căn cứ vào tải
trọng tính toán chọn mặt cắt cột. Nội dung chọn mặt cắt gồm có xác định các
kích thớc cơ bản của mặt cắt là chiều rộng b và chiều cao h cùng chiều dày các
phần của mặt cắt. Sau cùng phải kiểm tra lại mặt cắt đã chọn ra theo điều
kiện ổn định, đồng thời kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng.
Yêu cầu cụ thể của bài toán đặt ra là:
Chọn mặt cắt của một cột kín, chịu nén đúng tâm, liên kết bằng hàn.
Cho biết: chiều dài hình học của cột là L C, đầu trên nối chốt, đầu dới ngàm.
Tải trọng tác dụng:
+ Tĩnh tải: Pt; hệ số vợt tải nt.
+ Hoạt tải: Ph; hệ số vợt tải nh.
+ Thép làm kết cấu CT3 có R0.
Nh vậy bài toán đặt ra là yêu cầu phải xác định đợc các kích thớc tối u
của mặt cắt cột kín này, với điều kiện mặt cắt này phải thoả mãn sao cho diện
tích cần thiết của mặt cắt là nhỏ nhất, nghĩa là giá thành kết cấu là rẻ nhất
nhng vẫn đảm bảo các yêu cầu về cờng độ và ổn định.
Cụ thể hoá các công thức nh sau:
GT = F MC * L C * T * G T
Trong đó:
+ GT : giá thành của cột kín (đồng).
+ FMC : diện tích mặt cắt ngang cột (m2).

+ LC : chiều dài hình học của cột (m).
+ GT : giá thành 1 tấn thép CT3 (đồng/tấn)


Điều kiện về cấu tạo:

b < c
bc
210
30
c
R0

c

1
b
30

1
1
b = : h
70
60

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd

Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
12

Trong đó:
+ b là chiều dày bản bụng (cm).
+ c là chiều dày bản cánh (cm).
+ bc là chiều rộng bản cánh (cm).
+ b là chiều rộng cần thiết của mặt cắt (cm).
+ h là chiều cao cần thiết của mặt cắt (cm).

+ Ro là cờng độ tính toán khi chịu lực dọc trục của vật liệu
(MN/m2).



Chọn mặt cắt của cột gồm 3 bản thép nh hình vẽ:

1. Xác định nội lực tính toán của cột:

N = nt * Pt + nh * Ph
2. Xác định chiều dài tính toán của cột:
L0 = 0.7 * L
3. Tính diện tích cần thiết của mặt cắt:
Gỉa thiết độ mảnh , tra bảng xác định

Fct =

N
R0

Bán kính quán tính cần thiết: rct = L0 /
Bề rộng cần thiết của mặt cắt: bct = rct / y
Với y là hệ số tra bảng.
Nếu chọn h = bct thì bề dày bình quân của bản thép:
=

Fct
3bct

Vậy đến đây ta chọn sơ bộ kích thớc của mặt cắt, rồi tính F (cm2).

Mặt cắt này mang tính chất sơ bộ, ta sẽ dùng công thức gần đúng để kiểm
tra sơ bộ mặt cắt.
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch


Kiểm tra sơ bộ mặt cắt cột đã chọn ( Ro):

Trang

13

ry = y * b

y = L o / ry


y



=

N
R0 : Đạt.
.F

Nếu không đạt chọn lại F.
Chọn lại kích thớc mặt cắt, rồi tính F (cm2).


Kiểm tra lại mặt cắt ( Ro):

Từ kích thớc mặt cắt đã chọn và F, ta tính đợc:
+

Jx ==> rx = Jx / F;

+

Jy ==> ry = Jy / F;

So sánh rx và ry nếu ry nhỏ hơn rx thì kiểm tra đối với trục y-y và ngợc lại.
Gỉa sử ry < ry:
Tính y = Lo / ry





=

tra bảng xác định y

N
R0 : Đạt.
y .F

Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng:
h0
210
40
+ 0.2 max và 75 : Đạt.
b
R0

Lu ý: Việc tính toán theo các bớc nh trên, nói chung lần thứ nhất cha có ngay
đợc mặt cắt hợp lý, bởi vì độ mảnh là giả định một cách tuỳ ý. Nếu độ mảnh giả
định quá lớn, mặt cắt thờng nhỏ hẹp hơn tấm bụng và cánh lại rất dày, lúc này
cần mở rộng kích thớc ngoài của mặt cắt (tức là b và h), đồng thời giảm bớt Fct,

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch

Trang
14

cũng tức là giảm bớt độ mảnh giả định. Nếu độ mảnh giả định quá nhỏ, thì mặt
cắt sẽ rất rộng lớn, lúc này tấm bụng và cánh có thể quá mỏng, không bảo đảm
về yêu cầu ổn định cục bộ, lúc này cần giảm bớt kích thớc ngoài của mặt cắt,
tăng thêm Fct.
Vậy công việc điều chỉnh này cần phải thực hiện nhiều lần mới có thể
chọn đợc mặt cắt hợp lý.
Nh vậy việc lập trình trên máy vi tính để chọn mặt cắt tối u là rất cần thiết
để giảm bớt thời gian và công sức tính toán.



Tính toán hàm mục tiêu : GT = FMC * LC * T * GT



Kiểm tra hàm mục tiêu :

GT = min(GTi )

IIi. mô hình bàI toán thiết kế tối u tơng ứng:


Hàm mục tiêu :
GT = giá thành = GT (b, bc, h, b, c)



Hàm ràng buộc :
* 1 = b < c
* 2 =

bc
210
30
c
R0

* 3 = c

1
b
30
1
1
: h
70
60

* 4 = b =

* 5 = =

N
R0
.F

Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Lp: Xd


Bi tp Thit k ti u v Phỏt minh sỏng ch
* 6 =

Trang
15

h0
210
40
+ 0.2 max và 75 : Đạt.
b
R0

BEGIN
iv. sơ đồ khối chơng trình:
NHậP Số LIệU

Tính toán các số
liệu cần thiết

Chọn sơ bộ kích thớc mặt cắt

Tính kiểm tra
sơ bộ ( R0)

Không đạt

Đạt

Chọn LạI kích thớc
mặt cắt

Tính kiểm tra
LạI ( R0)
Hc viờn: Trn Quc Tun
ng ụtụ v ng TP - K16

Tính kiểm tra
ổN ĐịNH CụC Bộ

Lp: Xd


Bài tập Thiết kế tối ưu và Phát minh sáng chế

Trang
16

Kh«ng ®¹t
§¹t

Kh«ng ®¹t
§¹t
TÝnh to¸n hµm môc tiªu
KiÓm tra hµm môc tiªu

Kh«ng tèi u

Tèi u

XuÊt sè liÖu

END

Học viên: Trần Quốc Tuấn
đường ôtô và Đường TP - K16

Lớp: Xd