Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện

Đặng Hùng Sơn đã định hướng đề tài, có phương pháp hướng dẫn chúng em tiếp cận từng bước vớinhững điều mới lạ, những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu đãđược thầy giải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC VÀ BIÊN DẠNG THÂN CÂY BÔNG SÚNG

ĐẾN ỨNG DỤNG CỦA ỐNG ĐA DIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN CÔNG 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

Lê Nguyễn Quang Thiết 15147126

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019

rTRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Hoàng MSSV: 15147088

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 bôngsúng đến ứng dụng của ống đa diện

Mục đích của đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thâncây 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 CơKhí 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 mô phỏng

- Nhiệm vụ 3: Phân tích kết quả, xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố kích thước

và đưa ra mô hình tốt nhất

1. Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi cam đoan ĐATN là công 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 công 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)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: 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 bông súng đến ứng dụng của ống đa diện

Nguyễn Thanh Sang MSSV: 15147121

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:

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):

3 Đánh giá:

T

Điểm tối đa

Điểm đạt được

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

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

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

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

thực tế

15

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

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

Nguyễn Thanh Sang MSSV: 15147121

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)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

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

mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

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

thuật, khoa học xã hội…

5

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 thực tế

15

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

Toàn thể giáo viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã dạy dỗ, giúp

đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập

Toàn thể Thầy Cô 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 trêngiảng 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 vớinhững điều mới lạ, những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu đãđược thầy giải đáp để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.Trong suốt quá trình thực hiện đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót.Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các Thầy, các Cô để để chúng em

có thể cải thiện cả về mặt kiến thức chuyên môn cũng như thái độ học tập và làm việcsau này

TÓM TẮT

Trên thế giới, các nghiên cứu về thiết kế sinh học luôn là nguồn cảm hứng để cảitiến các thiết bị hiện tại Những nghiên cứu luôn hướng các thiết bị của con người hiệnđại hơn, tiện lợi và nhỏ gọn hơn Nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được đầu tư vào lĩnhvực này, các nghiên cứu dù có ý tưởng và thực hiện cũng chỉ ở mức thử nghiệm và tạo

mô hình đơn giản Đó là lí do mà chúng ta cần quan tâm nhiều hơn trong việc nghiêncứu 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 tiếnhành đo và xây dựng dữ liệu kích thước các biên dạng mà thân cây bông súng có Từnhững dữ liệu kích thước thu được, chúng em sử dụng phương pháp quản lí thống kêTaguchi để tổ hợp các kích thước và xây dựng các mô hình thí nghiệm Sau khi có dữliệu kích thước các thí nghiệm, chúng em tiến hành xây dựng mô hình 3D trên phầnmềm Inventor 2019 Vì tăng tính khách quan cho nghiên cứu, chúng em đã chạy phânphối ngẫu nhiên các thông số đầu vào với phần mềm Matlab R2015a, và sau đó tiếnhành mô phỏng số các mô hình đã xây dựng và thống kê kết quả Tiếp theo, chúng emtiếp tục xử lí số liệu từ mô phỏng số bằng phương pháp tính tay Taguchi, Anova và sửdụng phần mềm Minitab 19 để kiểm tra lại kết quả Cuối cùng, từ các kết quả phântích ở trên, chúng em sẽ kết luận các yếu tố ảnh hưởng nhất đến ứng dụng của ống đadiện và xây dựng nên ba mô hình tối ưu nhất cho ba khả năng của ống

Sau quá trình nghiên cứu, mô phỏng số và phân tích dữ liệu đạt được từ kết quả

mô 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 lớnnhất đến độ chênh nhiệt độ của ống đa diện Và chúng em đã xây dựng được mô hình

tối ưu cho nhiệt độ với kí hiệu mô hình là: P13-P22-P31-P42-P52, và kết quả đạt được

sau quá trình mô phỏng với hiệu nhiệt độ  t 85.621 25.336 60.285(0C)

- Yếu tố kích thước đường kính ngoài của ống đa diện là yếu tố có ảnh hưởng lớnnhất đến độ chênh áp khi lưu chất chảy qua ống Và chúng em đã xây dựng được mô

hình tối ưu cho độ chênh áp với kí hiệu mô hình là: P12-P22-P33-P41-P51, và kết quả

đạt được sau quá trình mô phỏng với hiệu áp suất  p 7.752 ( 2.205) 9.957(   kPa)

- Yếu tố kích thước đường kính đường tròn 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 mô hình tối ưu cho độ chênh vận tốc với kí hiệu mô hình là: P23-P32-P41-P53, và kết quả đạt được sau quá trình mô phỏng với hiệu vận tốc

P12-3.313 0 P12-3.313( / )

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 loài 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 toà 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

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 Mô hình tính toán 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 Mô phỏng số 41

4.1.1 Xây dựng mô hình ống đa diện 41

4.1.1.1 Giới thiệu về phần mềm inventor 41

4.1.1.2 Xây dựng mô 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 quá trình mô phỏng 66

4.2.2 Xử lí kết quả áp suất sau quá trình mô phỏng 68

4.2.3 Xử lí kết quả vận tốc sau quá trình mô 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

CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

Các kí hiệu công 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 forexperiment i)

 ´x: Trung bình chung của mẫu

 SN: Signal Noise Ratio

 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)

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 quá trình mô 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 toán Anova từ Minitab 19 70

Bảng 4 14 Bảng tính toán Anova từ Minitab 19 71

Bảng 4 15 Bảng tính toán 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

MỤC LỤC HÌNH Ả

Hình 1 1 Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài 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 không [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 Mô 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 hòm [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 Mô hình bàn tay bionic [23] 1 Hình 3 1 Quá trình thu thập, đo đạt dữ liệu kích thước thân cây bông 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 Hoàn thành mô hình ống đa diện thân cây bông súng 45

Hình 4 7 Điền khối vào phần rỗng của mô hình ống đa diện 46

Hình 4 8 Chọn thuộc tính vật liệu cho mô hình hoàn chỉnh 46

Hình 4 9 Giao diện Ansys Workbench 2014 51

Hình 4 10 Nhập mô hình vào công cụ Geometry 51

Hình 4 11 Đặt tên và chọn thuộc tính cho các phần tử của mô hình 52

Hình 4 12 Nhóm các phần tử rời rạc của mô hình thành khối thống nhất 52

Hình 4 13 Công cụ Mesh và truyền dữ liệu cho Mesh 53

Hình 4 14 Các tuỳ chọn trước khi chia lưới mô hình 53

Hình 4 15 Bắt đầu chia lưới và mô hình đã chia lưới hoàn thành 54

Hình 4 16 Thông số kiểm tra chất lượng của lưới 54

Hình 4 17 Thiết lập điều kiện chung cho mô hình 55

Hình 4 18 Tuỳ chọn mô hình tính toán mô phỏng thích hợp 56

Hình 4 19 Thiết lập thuộc tính vật liệu cho mô hình 56

Hình 4 20 Gán thuộc tính vật liệu cho từng phần tử trong mô hình 57

Hình 4 21 Thiết lập điều kiện biên cho mô hình tính toán 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 toán 58

Hình 4 24 Kết quả nhiệt độ sau mô phỏng 59

Hình 4 25 Kết quả mặt cắt ngang nhiệt độ 59

Hình 4 26 Kết quả áp suất sau mô phỏng 60

Hình 4 27 Kết quả mặt cắt ngang áp suất 60

Hình 4 28 Kết quả vận tốc sau mô 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 mô 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 mô 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 mô hình tối ưu vận tốc 83

Hình 4 44 Kết quả mặt vận tốc biểu diễn theo vector 83

Từ những nghiên cứu nước ngoài, lĩnh vực thiết kế sinh học đã cho chúng emthấy 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 không kém phần mới lạ này.Song song với việc áp dụng phương pháp nghiên cứu mới với mong muốn tạo nên sựđổi mới các phương pháp nghiên cứu cũ.

Trong lần tình cờ chú ý đến cấu trúc thân cây bông súng, TS Đặng Hùng Sơn đãquyết 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 theothân cây bông 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 cácmẫu thân cây bông súng, đo lại kích thước, chọn các yếu tố kích thước quan trọng vàthiết kế mô hình 3D, chạy mô phỏng số, phân tích, xử lí kết quả và tìm ra những tổhợp thiết kế tốt nhất cho từng điều kiện đặt ra ban đầu

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 cáchình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuậtcho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc Tiềm năng áp dụngnhững nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của cáccấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy Chính vì vậy, PhỏngSinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảmhứng 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 bởicác 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 nhânrộng hệ thống truyền thần kinh sinh học Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về PhỏngSinh 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 bởicác 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 thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn Đã có rấtnhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật

1.1.2 Giới thiệu về bông súng

Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng

Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp

Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)

Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ Cây đã lan rộng quacác nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớngiúp 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

Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưathưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanhbóng Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dướicủa lá Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theosuốt 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 nhântạo mới ưu việt hơn Việc mô phỏng lại cấu trúc sinh học của các sinh vật để đưa vàothiết kế, việc này có thể giải quyết các vấn đề thường gặp trong thực tế như nâng caokhả năng chịu lực, tự làm mát, tự hồi phục,…hay thu nhỏ kích thước của một số sảnphẩm

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 đổinhiệt, dòng chảy lưu chất và thu nhỏ kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt thôngthường

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 củacác loài chim để chế tạo ra máy bay Và mặc dù không thành công trong việc tạo ramột chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rấtquan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trênnhững 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 bắtnguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay

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 sinhhọc: khóa dán (khóa velcro) Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dínhchặt nhau khi bị ép lại Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ

và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễdàng 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 bỏnhững quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vàonhau

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 phátminh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi

Hình 1 3 Dự án BioArch [1]

* Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod vàM-amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran Nhóm thiết kế sử dụngcác chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránhkhỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (vớinhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độC).Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùnglớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng Giải pháp nàyđồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông 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 công trình, khi có những vấn đềphát sinh, nhiều kỹ sư đã tìm đến những cấu trúc độc đáo của thế giới tự nhiên để môphỏng lại nhằm giải quyết các vấn đề Sau đây là một số ví dụ về các nghiên cứu vàcông trình có ứng dụng thiết kế sinh học

Maria E.Ferguson đã nghiên cứu về bộ áo giúp con người có thể lượn trên khôngtrung, đây là một nghiên cứu được lấy ý tưởng từ loài sóc bay, nghiên cứu được thựchiện 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 trêncấu tạo của quả dầu vào năm 2017 Nghiên cứu này xây dựng các cánh tuabin gió và

xem xét hiệu suất hoạt động của chúng dựa vào động lực học lưu chất tính toán (CFD).[3]

Eiji Nakatsu, một kỹ sư Nhật Bản, trong lúc đang tìm cách giảm bớt tiếng nổ siêuthanh khi tàu cao tốc Shinkansen khi nó ra khỏi đường hầm Ông đã tìm đến thế giới tựnhiên để tìm cảm hứng và quyết định chọn hình dáng mỏ của chim bói cá làm môphỏng Kết quả là thiết kế giúp hạn chế tiếng ồn, giúp tàu sử dụng ít năng lượng hơn

và nhanh hơn 10%.[4]

Hai công ty kiến trúc DP Architechts (DPA) và Michael Wilford & Partners(MWP), cả hai công ty đã cùng làm việc với nhau để hoàn thành dự án xây dựng nhàhát Esplanade vào năm 1992 Cấu trúc của nhà hát được lấy ý tưởng từ hình dáng củaquả sầu riêng Thiết kế độc đáo này giúp nhà hát Esplanade trông rất độc đáo và tầmnhìn ra mọi phía của nhà hát giúp khách tham quan có thể ngắm cảnh dễ dàng hơn Cóhơn 7000 hình chóp nhìn chúng giống như những cái gai của quả sầu riêng, mỗi hìnhchóp được trang bị kính và sẽ thay đổi góc độ để tránh ánh nắng chói chang của mặttrời.[5]

Hai vợ chồng kiến trúc sư ông Mark Hemel và bà Barbara Kuit, là người đã thiết

kế nên cấu trúc của toà tháp truyền hình Canton ở Quảng Châu, Trung Quốc Đây làmột kiến trúc độc đáo khi nó mang cho mình một đường cong tuyệt đẹp và độc nhất.Thiết kế được lấy ý tưởng từ cấu trúc xương đìu của con người, với hình dạng to ở haiđầu và hẹp lại ở giữa tạo thành vòng eo.[6]

Kiến trúc sư Mick Pearce đã phối hợp cùng các kiến trúc sư của Arup để thiết kếnên toà cao ốc Eastgate Đây là một kiến trúc được lấy ý tưởng từ cấu trúc của tổ mối.Với khả năng thông gió tốt của cấu trúc này, công trình có khả năng tự điều tiết điềukiện không khí với mức tiêu thụ năng lượng ít.[7]

Ernst van Nierop, Michael Brenner và Silas Alben đã dựa theo cấu tạo của vây cávoi lưng gù để nâng cao hiểu quả của tuabin gió Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khigóc tác động thay đổi từ 120 đến 180, lực cản sẽ giảm 32% và lực nâng cánh tăng 8%.[8]

Nhà sản xuất máy bay châu Âu Airbus đã hợp tác với Autodesk để suy nghĩ lại

về thiết kế của cabin của máy bay Cabin mới đã ra mắt tại hội nghị của Đại họcAutodesk ở Las Vegas và nhờ công nghệ in 3D, một số thuật toán mới dựa trên cấutrúc sinh học của nấm mốc và sự phát triển của xương để tạo ra cấu trúc phỏng sinh

học Cabin này chỉ nặng 66 pound, giúp tiết kiệm rất lớn cả về nhiên liệu và lượng khíthải carbon Các cabin hiện tại của Airbus nặng 143 pound Mục tiêu là giảm 30%trọng lượng và hoàn toàn đạt được mức giảm trọng lượng tới 55%.[9]

Một nhóm kỹ sư tại Trung tâm Công nghệ Mercedes-Benz và Daimler ChryslerResearch đã quyết định phát triển một chiếc xe lấy ý tưởng bionic, tìm cách tối ưu hóathiết kế khí động học Mô hình sinh học mà từ đó họ rút ra cảm hứng thiết kế của mình

là cá nắp hòm (Ostraci cubus) Thử nghiệm mô hình trong một đường hầm gió đạtđược hệ số cản gió chỉ 0,06 Kết quả nghiên cứu cho thấy là một trong những chiếc xekhí động học tốt nhất trong loại kích thước này từng được phát triển Theo Daimler,mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 20% (Daimler Chrysler AG, 2004).[10]

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Công ty TNHH 3D MASTER đã chế tạo thành công sản phẩm cánh tay sinh kỹthuật hỗ trợ đắc lực các chức năng cho người khuyết chi tại Việt Nam với chi phí rấttối ưu Những cánh tay sẽ được tạo mẫu nhanh bằng các máy in 3d công nghiệpZortrax M200, rồi được lắp ghép và hoàn thiện đạt thẩm mỹ và công năng cao nhấttrước khi đến với tay người dùng.[11]

1.4 Đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng của thế giới là thu nhỏ kích thước của các thiết bị, bảo vệmôi trường và tiết kiệm năng lượng Thực tế hiện nay, các bộ trao đổi nhiệt có kíchthước lớn chiếm một diện tích lớn nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt không cao Vì vậy,nếu cần tăng công suất giải nhiệt đồng nghĩa với việc tăng kích thước thiết bị, điều nàykhông phải là lựa chọn tối ưu Do đó, chúng ta phải nghiên cứu một bộ trao đổi nhiệt

có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn với kích thước nhỏ hơn và chi phí phải phù hợp

1.4.2 Lí do chọn đề tài

Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về ống trao đổi nhiệt, ví dụ như:

Tác giả Alexandria đã thực hiện nghiên cứu về việc lựa chọn vật liệu cho bộ traođổi nhiệt đặc biệt để ứng dụng trong nhà máy điện hạt nhân.[12]

Nhóm tác giả M.Suresh, Bhaarath Ramesh và S.P.Anand đã thực hiện nghiên cứunâng cao khả năng truyền nhiệt ở ống trao đổi nhiệt đồng tâm.[13]

Nhóm tác giả Sugin Elankavi và Uma Shankar đã sử dụng CFD (ComputationalFluid Dynamics) để nghiên cứu phân tích dòng chảy và trao đổi nhiệt ở ống vỏ nằmngang.[14]

Ngoài ra, ở Việt Nam có một nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt do nhómnghiên cứu tại Hội Hoá học Việt Nam do PGS.TS Phạm Thế Trinh dẫn đầu đã thựchiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ức chế chống ăn mòn và công nghệ xử lýlàm sạch hệ thống ống chùm trao đổi nhiệt”.[15]

Như đã nêu ở trên, thiết kế sinh học cũng được ứng dụng trong nhiều nghiên cứukhác nhau từ xây dựng, thiết kế kiểu dáng khí động học,…

Nhưng qua các tìm kiếm, nhóm chúng em vẫn chưa tìm thấy một nghiên cứu nào

áp dụng cấu trúc thân cây bông súng vào ống đa diện Với ý tưởng ứng dụng thiết kếsinh học của thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt, chúng em hi vọng sẽ nâng caohiệu suất truyền nhiệt của ống trao đổi nhiệt Vì vậy, chúng em quyết định chọn đề tàinghiên cứu là: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng của thân câybông súng đến ứng dụng của ống đa diện”

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu

Trong đồ án này, với sự hướng dẫn của TS Đặng Hùng Sơn nhóm chúng em sẽnghiên cứu về sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng cấu trúc của thân cây bôngsúng trong đến độ chênh nhiệt độ và tính chất dòng chảy Dựa theo thiết kế sinh họccủa thân cây bông súng chúng em mong muốn mô phỏng lại cấu trúc này nhằm tạo rathiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất cao

1.4.4 Phương pháp nghiên cứu

Trình tự nghiên cứu đề tài:

1.4.5 Các phương tiện hỗ trợ

Một số phương tiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu:

* Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việcthiết kế và xây dựng mô hình 3D

* Phần mềm Matlab 15a: Phân mềm Matlab hỗ trợ trong việc chạy thuật toánphân phối ngẫu nhiên các thông số đầu vào Việc sử dụng các thông số theo phân phốingẫu nhiên sẽ tăng thêm tính thực tế của mô phỏng

* Phần mềm Ansys 2014: Phần mềm Ansys hỗ trợ trong việc mô hình hoá cácvấn đề về dòng chảy của lưu chất nén được và không nén được, chảy tầng và chảy rối

* Phần mềm Minitab 19: Phần mềm minitab hỗ trợ trong việc xử lí kết quả sauquá trình mô phỏng nhằm xác định được yếu tố nào có ảnh hưởng nhất đến mô hình

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Các nghiên cứu trên thế giới các nghiên cứu trên giới

2.1.1 Nghiên cứu bộ áo lượn trên không phỏng theo loài sóc bay [2]

Một thế kỉ trước, chúng ta không chắc chắn về việc chúng ta có thể bay trênkhông trung Ngày nay, hàng ngàn người có thể bay trên không nhờ vào máy baythương mại, điều này đã dần trở nên phổ biến và đại trà đối với đời sống của hầu hếtngười dân Các bộ áo được sử dụng trong bộ môn thể thao nhảy dù Những người thamgia sẽ nhảy khỏi máy bay từ một độ cao nào đó, và bộ áo có thể giúp họ lượn trênkhông trung trong một khoảng thời gian trước khi họ mất độ cao và cần bung dù đểtiếp đất

Về cơ bản, trọng lượng cơ thể sẽ khiến bạn đi xuống Ta cần một lực nâng đểnâng cơ thể của chúng ta lên Nhưng việc tạo ra lực nâng cho một vật thể không cónhiều sải cánh là một thách thức lớn hơn nhiều Theo nguyên lý Bernoulli, tốc độkhông khí trên đỉnh cánh máy bay cao hơn phía dưới, nhờ đó có sợ chênh áp suất giữamặt dưới và mặt trên của cánh máy bay, tạo lực nâng nâng toàn bộ máy bay bay lên

Sự khác nhau ở cánh máy bay và bộ áo là việc chuyển đổi hầu hết các vận tốc vềphương ngang

Hình 2 1 Bộ áo lượn trên không [16]

2.1.2 Nghiên cứu tuabin gió phỏng theo cấu trúc của quả dầu [3]

Bài viết nghiên cứu về thiết sinh học của tuabin gió được lấy cảm hứng từ quảdầu và được xem xét hiệu quả hoạt động bằng phần mềm tính toán động lực học chấtlưu (CFD) Các thông số được xem xét như hệ số công suất, hệ số lực đẩy, ứng suất

uốn của cánh được dự đoán và so sánh với cánh quạt được thiết kế bởi Krogtad vàLund (2012) Kết quả cho thấy tuabin gió theo thiết kế sinh học có hệ số công suất0.336 với tốc độ gió đầu cánh cao hơn 1.5 so với vận tốc chảy tự do là 10 m/s Tuabingió thiết kế sinh học có khả năng tự vận động tốt hơn vì moment xoắn của nó tạo racao hơn 772% so với thiết kế của Krogtad và Lund Nghiên cứu này có thể là tiềmnăng cho ngành điện gió trong tương lai.

Hình 2 2 Nghiên cứu tuabin gió theo thiết kế sinh học của quả dầu [3]

2.1.3 Nghiên cứu cải tiến thiết kế đầu tàu siêu tốc shinkansen phỏng theo cấu trúc

mỏ của chim bói cá [4]

Eiji Nakatsu, một lần tình cờ khi ông đọc thông báo trên tờ báo vào năm 1990,dòng thông báo này cho ông biết có một bài giảng về loài chim do một kỹ sư của Hiệphội chim hoang dã Nhật Bản trình bày tại Osaka Ông ấy quyết định đến đó và nghengười kỹ sư trên nói về một chủ đề mà ông cũng rất thích

Nakatsu với vị trí là tổng quản lý của bộ phận phát triển kỹ thuật cho một trongnhững con tàu cao tốc nhanh nhất thế giới, và ông đã nhanh chóng nhận ra việc nghiêncứu cách loài chim bay có thể đưa đoàn tàu của ông đến tương lai

Hình 2 3 Cải tiến đầu tàu cao tốc dựa trên thiết kế sinh học của mỏ chim bói cá [4]

2.1.4 Thiết kế và xây dựng nhà hát esplanade phỏng theo cấu trúc của quả sầu riêng [5]

Vào năm 1989, Hội đồng tư vấn về văn hoá và nghệ thuật, do phó thủ tướng OngTeng Cheongchủ trì, đã đưa ra báo cáo về tình trạng nghệ thuật ở Singapore Bài báocáo này có đề cập đến việc thiếu địa điểm biểu diễn nghệ thuật phù hợp Vì vậy, cómột đề xuất xây dựng trung tâm biểu diễn nghệ thuật mới vào năm 1992, và Trung tâmnghệ thuật Singapore, nhà hát Esplanade được xây dựng

Mẫu thiết kế ban đầu được trình bày trước công chúng vào năm 1994, bao gồmcác hộp kính trên nhô ra trên nhà hát Esplanade Thiết kế khi vừa mới được công bố đã

có nhiều chỉ trích hướng về nó, vì công trình này mang một cấu trúc quá khác biệt, cácnhà phê bình cho rằng nếu sử thiết kế này sẽ không phù hợp với điều kiện thời tiết ởSingapore, và nhà hát sẽ rất nóng nếu được mặt trời chiếu vào Biết về điều kiện ởSingapore, các nhà thiết kế đã có những phương pháp che mát cho công trình, nhữngtấm nhôm che nắng đã được bổ sung vào thiết kế cuối cùng Công trình có hình dạnggiống như quả sầu riêng, với 7000 tấm nhôm hình chóp với nhiệm vụ che nắng baophủ khắp trên một nữa cấu trúc hình cầu, chúng trông giống như gai trên một nữa quảsầu riêng vậy Thiết kế này đã được quyết định là thiết kế cuối cùng, bởi vì các kiếntrúc sư cho rằng cách che chắn này là thú vị nhất Họ muốn sử dụng kính vì tầm nhìn

từ Esplanade từ mọi hướng đều rất đẹp, nhưng vì Singapore ở gần đường xích đạo nêncông trình phải được bảo vệ khỏi ánh nắng mặt trời và bức xạ nhiệt

Hình 2 4 Nhà hát Esplanade [17]

2.1.5 Thiết kế toà tháp truyền hình canton, quảng châu, trung quốc dựa trên cấu trúc xương đùi của con người [6]

Tháp Canton thuộc Quảng Châu, Trung Quốc, nằm ở bờ nam sông Pearl Đây làtoà tháp truyền hình cao nhất Trung Quốc và cao thứ ba trên thế giới Khi đứng trênđỉnh toà tháp, ta có thể thấy toàn cảnh của thành phố Ngoài ra, bên trong toà tháp còn

có khu giải trí, nhà hàng, địa điểm chụp ảnh, và bản thân nó cũng nắm giữ cấu trúc độcđáo duy nhất

Tháp Canton thu hút sự chú ý vì thiết kế độc đáo Ở phần mỏng nhất, đường kínhkhoảng 30 mét (32 yard) Tòa tháp đã trở thành một điểm mốc thành phố mới và làmột trong tám điểm tham quan quan trọng của Quảng Châu Vào ban đêm, tòa tháptrông như một chiếc váy lộng lẫy, rực sáng với ánh đèn nhiều màu sắc

Tháp Canton được chia thành năm khu theo chiều cao, cụ thể là khu E, D, C, B

và A Du khách có thể trải nghiệm niềm vui khác nhau bên trong tòa tháp [18]

Hai vợ chồng kiến trúc sư ông Mark Hemel và bà Barbara Kuit là người thiết kếnên cấu trúc độc đáo của toà tháp Canton Ông Mark Hemel luôn bị ảnh hưởng nặngbởi các cấu trúc tự nhiên, ông thường quan sát các cấu trúc tự nhiên dưới góc độ hiển

vi Ý tưởng chính khi thiết kế nên cấu trúc của toà tháp bắt nguồn từ xương đùi củacon người Hình dáng to ở hai đầu và hẹp lại ở giữa là mấu chốt tạo nên chiếc eo độcnhất của toà tháp Dựa theo cấu trúc của xương đùi, với thành xương ngoài dày vàkhoẻ để cố định giữ độ cứng cho xương, trong thiết kế toà tháp, kiến trúc sư đã tạo mộtcấu trúc bê tông rỗng ở giữa tháp để chứa các thiết bị, xây dựng thang máy và cáckhoang lớn cho các hoạt động khác Sau đó là cấu trúc xốp bên trong lớp vỏ xương,những dây thép nối từ đáy lên mặt đỉnh của tháp theo dạng xoắn và được giữ liên kếtvới nhau bằng các vòng thép tròn bao quanh, các vòng thép này có mật càng cao khigần vùng eo hẹp ở giữa của toà tháp Với cấu trúc xốp và lộ thiên bên ngoài giúp chotoà tháp hạn chế tạo ra những lốc xoáy khi có giớ mạnh thổi qua tháp, điều này làmgiảm sự rung lắc của tháp để tránh những rạng nứt trong công trình

Hình 2 5 Tháp truyền hình Canton [18]

2.1.6 Cao ốc Eastgate được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối [7]

Người ta thường nghĩ mối là loài chuyên phá hoại nhà cửa, thật ra, mối cũng lànhững kỹ sư xây dựng tài năng Các đền thờ Hồi giáo tại Mali hầu hết được xây dựngtheo thiết kế này Tổ mối có tường dày, cấu trúc thông khí rất tốt, luôn mát mẻ Hệthống tổ mối luôn có đường nối với nguồn nước Không khí lạnh bên ngoài luồn quacác lỗ nằm trên mặt đất, kết hợp với nước ngầm, tạo thành một lớp hơi nước làm máttỏa ra xung quanh Khi tiếp xúc với bầy mối bên trong, không khí sẽ nóng dần lên, nhẹhơn, và thoát ra ngoài Trung tâm của gò là một ống thông khí kết nối với mạng lướicác đường hầm và lối đi phức tạp Cấu trúc tường dạng xốp, cho phép không khí đivào trong tổ mối và cuối cùng là thoát ra khỏi tổ mối thông qua ống thông khí ở trungtâm tổ mối Sự luân chuyển của không khí đi vào tổ mối, điều này giúp luôn duy trìcho tổ mối lượng oxy cần thiết và nhiệt độ ổn định

Cao ốc Eastgate tại Harare được thiết kế bởi kiến trúc sư Mick Pearce phối hợpvới các kỹ sư Arup, không có điều hòa không khí hoặc sưởi ấm thông thường, nhưngvẫn được điều tiết quanh năm với mức tiêu thụ năng lượng ít Họ đã thiết kế dựa theothông gió của tổ mối , giúp ổn định nhiệt độ quanh năm ỡ mức 270C mà vẫn tiết giảm

được 90% nhu cầu năng lượng (tương đương 3.5 triệu USD) so với các tòa nhà cùngquy mô Hệ thống làm mát của toà cao ốc này có giá bằng 1/10 so với các hệ thốnglàm mát thông thường và sử dụng năng lượng ít hơn 35% so với các công trình cócùng kích cở và điều kiện.[7]

Hình 2 6 Trung tâm Eastgate [7]

2.1.7 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của tuabin gió phỏng theo cấu tạo vây của cá voi lưng gù [8]

Học hỏi theo các cấu trúc trên vây cá voi lưng gù có thể đưa đến những phát hiệnmới về các tuabin gió hiệu quả hơn Các nhà khoa học biển từ lâu đã nghi ngờ rằng cávoi lưng gù, sự nhanh nhẹn đáng kinh ngạc đến từ những vết bướu trên các cạnh củavây Các nhà nghiên cứu của Đại học Harvard đã đưa ra một mô hình toán học giúpgiải thích khía cạnh thủy động lực học này Công trình mang lại ý nghĩa về mặt lýthuyết cho một cơ chế đang phát triển trên thực nghiệm rằng những cấu tạo tương tự

có thể đưa đến các thiết kế máy bay ổn định hơn, tàu ngầm có độ linh hoạt cao hơn vàcánh tuabin có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ gió và nước

Cá voi có thể giúp chúng ta tạo ra tuabin gió hiệu quả hơn không? Bằng cáchnghiên cứu các bướu ở vây cũng như đuôi của cá heo và cá voi, các nhà khoa học đãphát hiện một số đặc tính về cấu trúc của chúng mâu thuẫn với các lý thuyết kỹ thuật

lâu đời

Nhà phát minh Frank Fish đã nghiên cứu các bướu ở rìa trước của vây cá voilưng gù Ông phát hiện ra rằng những cái bướu này nén chất lỏng chảy qua vây, giúp

cá voi có thêm lực đẩy để tấn bất ngờ vào mục tiêu của chúng khi những con vật này(nặng tới 36 tấn) tự đẩy mình ra khỏi nước.

Tiến sĩ Frank Fish (đại học Tây Chester) đã phát biểu về tác động thú vị mà cáckhám phá này đem lại cho ngành công nghiệp thiết kế truyền thống vào thứ ba ngày 8tháng 7 trong buổi họp thường niên của Hội sinh vật học thực nghiệm tại Marseille Một số quan sát của ông đã được áp dụng vào các vấn đề kỹ thuật thực tiễn, đó làkhái niệm được gọi là phỏng sinh Hình dáng vây của cá voi với gờ mấp mô là cảmhứng để sáng tạo ra một thiết kế hoàn toàn mới lạ cho cánh quạt tuabin gió Thiết kếnày có hiệu suất cao hơn và chạy êm hơn, nhưng không tuân theo các lý thuyết kỹthuật truyền thống

Nghiên cứu tập trung vào quá trình hình thành xoáy nước hay dòng nước dạng

vòi rồng, được tạo ra bởi quá trình chuyển động của động vật Tiến sĩ Fish giải thích:

“Trong trường hợp cá voi lưng gù, xoáy nước được hình thành từ các bướu trên gờtrước của vây để tạo ra thêm áp lực nâng mà không bị chòng chành, đồng thời củng cốtính linh hoạt cũng như tốc độ”

Tập đoàn Whalepower hiện đang áp dụng phát hiện mới này vào thiết kế quạtmới với hiệu suất cải thiện và cánh quạt gió giúp tăng công suất phát ở chế độ gió nhấtđịnh Công nghệ này cũng có thể được trang bị thêm trên các cánh tuabin hiện có.[8]

Hình 2 7 Cánh của tuabin gió [19]

2.1.8 Thiết kế cabin phỏng sinh học giúp máy bay nhẹ hơn dựa trên cấu trúc sinh học của nấm mốc [9]

Nhà sản xuất máy bay châu Âu Airbus, giống như mọi hãng khác trong ngành,muốn chế tạo những chiếc máy bay nhẹ hơn, hiệu quả hơn Airbus đã hợp tác vớiAutodesk để suy nghĩ lại về thiết kế của cabin Cabin mới đã ra mắt tại hội nghị củaĐại học Autodesk ở Las Vegas và nhờ công nghệ in 3D, một số thuật toán mới dựatrên cấu trúc sinh học của nấm mốc và sự phát triển của xương để tạo ra cấu trúcphỏng sinh học

Nấm móc là một sinh vật thực sự thú vị Hãy tưởng tượng nó đang bò ở đâu đótrong rừng trên mặt đất để tìm thức ăn Để làm như vậy, nó lan rộng ra theo các hướngkhác nhau và tạo ra các mạng lưới kết nối bổ sung giữa cơ thể của nó và tất cả cácnguồn thực phẩm xung quanh nó Chúng tôi sử dụng hành vi này để tìm kiếm các kếtnối cấu trúc bên trong cabin Chúng tôi sử dụng một thuật toán để kết nối không chỉ tất

cả các điểm giao diện của các cabin với cabin chính của máy bay mà còn bên trongcabin để giữ chỗ ngồi của tiếp viên tại chỗ Điều này giúp chúng tôi tạo ra một mạngcấu trúc đa năng bên trong cabin

Cabin này chỉ nặng 66 pound, giúp tiết kiệm rất lớn cả về nhiên liệu và lượng khíthải carbon Các cabin hiện tại của Airbus nặng 143 pound Mục tiêu là giảm 30%trọng lượng và hoàn toàn đạt được mức giảm trọng lượng tới 55%.[9]

Hình 2 8 Mô hình cabin phỏng sinh học nấm mốc [20]

2.1.9 Phát triển một chiếc xe phỏng sinh học dựa trên cấu trúc sinh học của cá nắp hòm [10]

Năm 2004, một nhóm kỹ sư tại Trung tâm Công nghệ Mercedes-Benz vàDaimler Chrysler Research đã quyết định phát triển một chiếc xe lấy ý tưởng bionic,tìm cách tối ưu hóa thiết kế khí động học Mô hình sinh học mà từ đó họ rút ra cảmhứng thiết kế của mình là cá nắp hòm (Ostraci cubus) Đáng ngạc nhiên là cơ thể hìnhkhối của loài cá nhiệt đới này cực kỳ hợp lý Các mô hình của cá được thử nghiệmtrong một đường hầm gió đạt được hệ số cản gió chỉ 0,06 Kết quả nghiên cứu chothấy là một trong những chiếc xe khí động học tốt nhất trong loại kích thước này từngđược phát triển Theo Daimler, mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 20%

Ngoài việc lấy cảm hứng từ hình dạng khí động học của loài nắp hòm, nhómnghiên cứu còn nghiên cứu tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cấu trúc xương của cá manglại sức bền tối ưu với việc sử dụng vật liệu tối thiểu Một lần nữa, theo Daimler, việcchuyển thiết kế khung xương tối ưu của cá nắp hòm sang xe ý tưởng cho phép các kỹ

sư tăng 40% độ cứng của tấm cửa bên ngoài so với thiết kế thông thường và giảm mộtphần ba trọng lượng tổng thể mà không làm giảm một phần ba sức bền hoặc an toàn vachạm (Daimler Chrysler AG, 2004).[10]

Hình 2 9 Thiết kế cải tiến kiểu dáng khí động của xe dựa trên thiết kế sinh học của

cá nắp hòm [21]

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]

Cá mập là sinh vật biển bơi nhanh nhất Điều này không chỉ do hình dạng sắpxếp hợp lý hiệu quả của chúng, mà còn do làn da đặc biệt của chúng được bao phủtrong răng nhỏ thay vì vảy Những chiếc răng này được căn chỉnh để tạo ra các xoáy,các hình dạng xoắn ốc chảy dọc theo cơ thể của cá mập, làm giảm ma sát (cản) khi convật lướt qua mặt nước

Các nhà sáng tạo tại Speedo Aqualab đã áp dụng nguyên tắc này vào thiết kế bộ

đồ bơi mới mang tính cách mạng gây xôn xao tại Thế vận hội 2000 khi 80% huychương đã giành được bởi những người bơi mặc chất liệu lấy cảm hứng từ da cá mậpnày Bộ đồ Fastskin mang đến cho người bơi lợi thế tăng tốc độ bơi 3% (Waller,2012)

Hình 2 10 Đồ bơi được phát triển dựa trên thiết kế sinh học của da cá mập [22]

Sharklet Technologies có trụ sở tại California, đã tạo ra một màng mỏng môphỏng cấu trúc bề mặt của da cá mập, nó ngăn chặn hiệu quả các vi sinh vật nguy hiểmtiềm tàng tự hình thành trên các bề mặt được phủ màng này Phương pháp này khôngtấn công hoặc tiêu diệt vi khuẩn, nhưng đơn giản là khiến cho việc bám trên các bềmặt này trở nên khó khăn đến mức chúng không thể hình thành khuẩn lạc và lây lan.Kết quả là, phương pháp này - không giống như sử dụng kháng sinh - sẽ không tạo ra

vi khuẩn kháng thuốc (Cooper, 2009) Điều này rất quan trọng vì sự lây lan của "siêu

bọ" như MRSA và các chủng Staphylococcus và Escherichia coli có khả năng gây tửvong là một trong những mối lo ngại hàng đầu của Tổ chức Y tế Thế giới.

2.2 Các nghiên cứu ở việt nam [12]

Công ty TNHH 3D MASTER đã chế tạo thành công và trân trọng giới thiệu cácsản phẩm cánh tay sinh kỹ thuật hỗ trợ đắc lực các chức năng cho người khuyết chi tạiViệt Nam với chi phí rất tối ưu

Tại Việt Nam, 3D master đang trển khai và nhân rộng sản phẩm nhằm giúp đỡnhững người khuyết tật Việt Nam

Những cánh tay sẽ được tạo mẫu nhanh bằng các máy in 3d công nghiệp ZortraxM200, rồi được lắp ghép và hoàn thiện đạt thẩm mỹ và công năng cao nhất trước khiđến với tay người dùng,

Cánh tay giả đầy công năng được tạo ra từ công nghệ in 3D với chi phí rẻ hơn rấtnhiều so với các cánh tay truyền thống có đầy đủ thiết kế cho người lớn, trẻ nhỏkhuyết tật,

Tại 3D master, người khuyết tật bàn tay phải có thể được Scan 3D, chép mẫubàn tay trái để in 3D ra sản phẩm tay phải như ý

Đây chính là 1 trong nhiều dòng sản phẩm Bionic mà 3D master đang quảng báophát triển tại Việt Nam và thị trường các nước lân cận

Hình 2 11 Mô hình bàn tay bionic [23]