Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.41 MB, 110 trang )
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 Mơn Cơng 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
1
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)
2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
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:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
3
.........................................................................................................................................
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):
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
4
3. Đánh giá:
T
Điểm
Mục đánh giá
T
1.
tối đa
Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các
2.
3.
4.
đạt
được
30
10
mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ
10
10
50
thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc
10
quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc
15
thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
15
ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm
Điểm
5
5
10
10
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)
5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn: Công 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)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
6
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
7
6. Đánh giá:
Điểm
Điểm đạt
được
Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các
tối đa
30
10
mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ
10
10
50
5
thuật, khoa học xã hội…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,
10
15
TT
Mục đánh giá
1.
2.
hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng
buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm
3.
4.
15
5
10
10
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)
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 Cô giáo trong trường, đặc biệt
là Thầy Cô giáo trong bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh. Chúng em xin chân thành
cảm ơn:
8
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 mơn Cơng nghệ Nhiệt – Điện lạnh đã cung cấp cho chúng
em những kiến thưc bổ ích trong suốt q 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.
9
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
0
sau q trình mơ phỏng với hiệu nhiệt độ t 85.621 25.336 60.285( 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) .
10
- 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: P12P23-P32-P41-P53, và kết quả đạt được sau q trình mơ phỏng với hiệu vận tốc
v 3.313 0 3.313(m / s) .
11
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ix
TĨM 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 khơng 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
12
2.1.7 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của tuabin gió phỏng theo cấu tạo vây
của cá voi lưng gù [8].......................................................................................14
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 dòng 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: MÔ 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
13
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
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
14
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)
: Trung bình chung của mẫu
SN: Signal Noise Ratio
: Độ lệch phương nhóm 1
: Độ lệch phương nhóm 2
: Độ lệch phương nhóm k
: Tổng các độ lệch bình phương chung
: Tổng các độ lệch bình phương giữa các nhóm
: Tổng các độ lệch bình phương giữa các nhóm
: Tổng các độ lệch bình phương phần dư
: 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)
15
MỤC LỤC BẢ
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................................................................36Y
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
16
MỤC LỤC HÌNH Ả
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].......................................................................................4Y
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] 1
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]
4
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 Công cụ Mesh và truyền dữ liệu cho Mesh................................................53
17
Hình 4. 14 Các tuỳ chọn trước khi chia lưới mơ hình..................................................53
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 q 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 mơ 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
18
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.
19
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
Hình 1. 3 Dự án BioArch [1]
* Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và
M-amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các
chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi
ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt
độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ
C).Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng
lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này
đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thơng gió tự nhiên.
1.3 Phương hướng nghiên cứu
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới có nhiều nghiên cứu và trong các cơng trình, khi có những vấn đề
phát sinh, nhiều kỹ sư đã tìm đến những cấu trúc độc đáo của thế giới tự nhiên để mô
phỏng lại nhằm giải quyết các vấn đề. Sau đây là một số ví dụ về các nghiên cứu và
cơng trình có ứng dụng thiết kế sinh học.
Maria E.Ferguson đã nghiên cứu về bộ áo giúp con người có thể lượn trên khơng
trung, đây là một nghiên cứu được lấy ý tưởng từ lồi sóc bay, nghiên cứu được thực
hiện vào năm 2016. Bộ áo đã thực hiện được ước mơ được nghĩ ra từ những năm
1930, kể từ lúc đó đã có 96% người tiên phong thí nghiệm thiệt mạng.[2]
Yung-Jeh Chu và Wen-Tong Chong đã nghiên cứu và chế tạo tuabin gió dựa trên
cấu tạo của quả dầu vào năm 2017. Nghiên cứu này xây dựng các cánh tuabin gió và
4
