CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3. Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm
Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng. Tương tác bậc cao xem như không đáng kể.
Nhà nghiên cứu phải xác định trước các tương tác có ý nghĩa. Bảng hoạch định trực giao Taguchi được xây dựng trên cơ sở kết hợp các hình vuông Latin theo một cách nhất quán.
Tính chất bảng hoạch định trực giao:
Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng 0. Do các cột phải trực giao nên việc thay đổi giá trị các mức độ tại các cột sẽ ảnh hưởng đến giá trị của các cột khác, do đó các bảng qui hoạch trực giao thường được xây dựng và có thể tìm thấy trong các tài liệu
Bảng 2.1: Bảng Taguchi L9.
TN T1 T2 T3
1 1 1 1
2 1 2 2
21 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 2.4. Các bước tiến hành
Chọn số mức độ cho mỗi biến. Chọn các biến và tương tác Chọn bảng trực giao Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao. Tiến hành thí nghiệm Phân tích dữ liệu Kết luận
22
2.4.1. Chọn yếu tố khảo sát
Sự lựa chọn yếu tố khảo sát và tương tác là quan trọng bậc nhất trong hoạch định. Để có một danh sách các yếu tố tương tác cần khảo sát thì kiến thức sâu về vấn đề khảo sát là cần thiết và sự tham khảo ý kiến các nghiên cứu trước đây là không thể thiếu.
2.4.2. Chọn mức độ khảo sát
Sự lựa chọn mức độ khảo sát cho các yếu tố chính tùy thuộc vào ảnh hưởng các các yếu tố này đến đáp ứng. Nếu chúng ảnh hưởng tuyến tính thì số mức độ nên chọn là 2. Tuy nhiên nếu ảnh hưởng là phi tuyến thì số mức độ cho các yếu tố này có thể là 3 hay 4 tùy thuộc mối quan hệ là bậc 2 hay bậc 3.
Khi chưa biết chính xác mối quan hệ thì số mức độ nên chọn là 2. Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm sẽ quyết định số mức độ tùy thuộc vào phần trăm đóng góp và sai số.
2.4.3. Chọn bảng quy hoạch trực giao
Trước khi chọn bảng trực giao thì cần tính số thí nghiệm tối thiểu cần tiến hành dựa trên tổng số độ tự do trong khảo sát. Số thí nghiệm tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do.
Độ tự do của giá trị trung bình: 1.
Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố.
23
Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi.
Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao.
Vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao rất quan trọng. Trong trường hợp có nhiều mức độ thì vị trí của các yếu tố được ấn định bởi bảng trực giao.
Việc ấn định vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao có thể được trợ giúp bằng các công cụ của hoạch định Taguchi.
Trước khi tiến hành thí nghiệm cần xác định mức độ thực tế của các yếu tố chính. Phần trăm đóng góp và ý nghĩa của các yếu tố phụ thuộc vào mức độ thực tế của yếu.
STT Number of factor 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Levels 2 L4 L4 L8 L8 L8 L8 L12 L12 L12 L12 L16 L16 L16 L16 L32 3 L9 L9 L9 L18 L18 L18 L18 L27 L27 L27 L27 L27 L36 L36 L36 4 L’16 L’16 L’16 L’16 L’32 L’32 L’32 L’32 L’32 5 L25 L25 L25 L25 L25 L50 L50 L50 L50 L50 L50
24
2.4.4. Phân tích dữ liệu thí nghiệm
Đây là khâu quan trọng trong đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đáp ứng.
Việc phân tích có thể thực hiện bằng phương pháp Anova, tỉ số S/N (Signal Noise⁄ )
hay phần trăm đóng góp. Phần trăm đóng góp: 𝐶% = 𝑆𝑁𝑖 ∑ 𝑆𝑁𝑖 ∗ 100% [2-1] Tỉ số /𝑁(𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒⁄ ). Đánh giá bằng tỉ số SN
Bảng 2.3:Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN.
Mô Phỏng P1 P2 P3 Trial1 Trial2 … Trialn
1 1 1 1 Trial1,1 Trial1,2 … Trial1,n
2 1 2 2 Trial2,1 Trial2,2 … Trial2,n
3 1 3 3 Trial3,1 Trial3,2 … Trial3n
4 2 1 2 Trial4,1 Trial4,2 … Trial4,n
5 2 2 3 Trial5,1 Trial5,2 … Trial5,n
6 2 3 1 Trial6,1 Trial6,2 … Trial6,n
7 3 1 3 Trial7,1 Trial7,2 … Trial7,n
8 3 2 1 Trial8,1 Trial8,2 … Trial8,n
25 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố:
SNi = 10logy̅i2
S̅i2 [2-2]
Tối thiểu hóa đáp ứng:
𝑆𝑁𝑖 = −10𝑙𝑜𝑔 ∑ 𝑦̅𝑢2
𝑁𝑖 𝑁𝑖
𝑢=1 [2-3]
Tối đa hóa:
𝑆𝑁𝑖 = −10𝑙𝑜𝑔 1 𝑁𝑖∑ 1 𝑦̅𝑢2 𝑁𝑖 𝑢=1 [2-4] Trong đó: 𝑦̅𝑖 = 1 𝑁𝑖 ∑𝑁𝑖 𝑦𝑖,𝑢 𝑢=1 [2-5] 𝑠𝑖2 = 1 𝑁𝑖−1∑𝑁𝑖 ( 𝑦𝑖,𝑢− 𝑦̅𝑖 ) 𝑢=1 [2-6] i: số lần mô phỏng
u: số lần thử nghiệm của mô phỏng
Ni: Number of trials for experiment i
Sau khi tính được giá trị SN ta thiết lập bảng kèm theo giá trị SN, tính giá trị trung bình của SN cho từng cấp độ,
Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN
Mô Phỏng P1 P2 P3 SN
1 1 1 1 SN1
2 1 2 2 SN2
26 4 2 1 2 SN4 5 2 2 3 SN5 6 2 3 1 SN6 7 3 1 3 SN7 8 3 2 1 SN8 9 3 3 2 SN9 𝑆𝑁𝑃3,1 =( 𝑆𝑁1+𝑆𝑁6+𝑆𝑁8 ) 3 [2-7] 𝑆𝑁𝑃3,2 =( 𝑆𝑁2+𝑆𝑁4+𝑆𝑁9 ) 3 [2-8] 𝑆𝑁𝑃3,3 =( 𝑆𝑁3+𝑆𝑁5+𝑆𝑁7 ) 3 [2-9] ∆= 𝑀𝑎𝑥 − 𝑀𝑖𝑛 [2-10]
Sau khi tính toán các giá trị trung bình của 𝑆/𝑁, ta ấn định các giá trị vào bảng và đưa ra giá trị R ( rank ) sau khi so sánh các giá trị ∆ trong bảng. R có giá trị 1 chính là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất và ngược lại.
Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN
Mô Phỏng P1 P2 P3 P4
1 SNP1,1 SNP2,1 SNP3,1 SNP4,1
2 SNP1,2 SNP2,2 SNP3,2 SNP4,1
3 SNP1,3 SNP2,3 SNP3,3 SNP4,3
27
Rank … … … …
* Xử lý số liệu bằng phương pháp anova mở rộng
Dữ liệu sử dụng
Sử dụng bảng số liệu từ phương pháp Taguchi
Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng với giá trị Means.
TN P1 P2 P3 Trial1 Trial2 Trial3 Means
1 1 1 1 T 1,1 T 1,2 T 1,3 Means1 2 1 2 2 T 2,1 T 2,2 T 2,3 Means2 3 1 3 3 T 3,1 T 3,2 T 3,3 Means3 4 2 1 2 T 4,1 T 4.2 T 4,3 Means4 5 2 2 3 T 5,1 T 5,2 T 5,3 Means5 6 2 3 1 T 6,1 T 6,2 T 6,3 Means6 7 3 1 3 T 7,1 T 7,2 T 7,3 Means7 8 3 2 1 T 8,1 T 8,2 T 8,3 Means8 9 3 3 2 T 9,1 T 9,2 T 9,3 Means9 Công thức tính toán
Từ công thức tính toán Anova sử dụng cho 2 yếu tố, ta mở rộng công thức cho 3 yếu tố để phù hợp tính toán số liệu:
𝑆𝑆𝑃1 = 𝑏 ∑( 𝑥̅𝑖
𝑖
28 𝑆𝑆𝑃2 = 𝑐 ∑( 𝑥̅𝑗 𝑗 − 𝑥 ̅ )2 𝑆𝑆𝑃3 = 𝑎 ∑( 𝑥̅𝑘 𝑘 − 𝑥 ̅ )2 𝑆𝑆𝑇 = ∑ ∑ ∑ ( 𝑥𝑖 𝑗 𝑘 𝑖𝑗𝑘 − 𝑥̅ )2 [2-11] 𝑆𝑆𝑊 = 𝑆𝑆𝑇 − (𝑆𝑆𝑃1 + 𝑆𝑆𝑃2 + 𝑆𝑆𝑃3) [2-12] 𝑑𝑓𝑇 = 𝑛 − 1 𝑑𝑓𝑃1 = 𝑎 − 1 𝑑𝑓𝑃2 = 𝑏 − 1 𝑑𝑓𝑃3 = 𝑐 − 1 𝑑𝑓𝑊 = 𝑑𝑓𝑇 − (𝑑𝑓𝑃1+ 𝑑𝑓𝑃2 + 𝑑𝑓𝑃3 ) [2-13] 𝑀𝑆𝑃1 = 𝑆𝑆𝑃1/𝑑𝑓𝑃1 𝑀𝑆𝑃2 = 𝑆𝑆𝑃2/𝑑𝑓𝑃2 𝑀𝑆𝑃3 = 𝑆𝑆𝑃3/𝑑𝑓𝑃3 𝑀𝑆𝑊 = 𝑆𝑆𝑊/𝑑𝑓𝑊 𝑀𝑆𝑇 = 𝑆𝑆𝑇/𝑑𝑓𝑇 Trong đó:
a: là số level của yếu tố P1
b: là số level của yếu tố P2
c: là số level của yếu tố P3
n: số thí nghiệm thự hiện
29 j: số thứ tự Level yếu tố P2
k: số thứ tự Level yếu tố P3
2.5. Giới thiệu về phần mềm Inventor
Autodesk Inventor, được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk _USA, là phần mềm thiết kế 3D cơ khí dạng mô hình khối rắn, phần mềm này dùng để tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số 3D giúp hình dung, thiết kế và mô phỏng các sản phẩm trên môi trường 3D. Các công cụ mô phỏng, phân tích được tích hợp trong Inventor cho phép người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, trực quan hóa sản phẩm. Inventor còn được tích hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất làm việc của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian.
Để giảm bớt khối lượng cho các nhà thiết kế phần mềm Inventor cho ta module Design Accelerator là module dùng để tính toán và thiết kế các chi tiết điển hình như: trục, bánh răng, then, lò xo, bulong, đai ốc. [13]
2.5.1. Chức năng của Inventor
Phần mô hình hóa (modeling) kết hợp giữa mô hình khối đặc và bề mặt để tạo ra một loạt các dạng hình học phức tạp. Công cụ tạo vân sọc và các công cụ phân tích quang phổ có thể được sử dụng để kiểm tra độ tiếp tuyến, liên tục và độ cong. Người dùng có thể tạo ra các chi tiết tái sử dụng lại trong các dự án khác nhau.
Phần lắp ráp (assembly) thiết kế kết hợp giữa chi tiết và cụm chi tiết. Người dùng có thể kiểm tra xung đột giữa các chi tiết.
Phần thiết kế đường ống (Pipe & Tube): giúp người dùng thiết kế ống chạy phức tạp trong không gian chật hẹp. Nó bao gồm một thư viện với các phụ kiện đường ống theo tiêu chuẩn công nghiệp. Người thiết kế chỉ việc chạy đường dẫn sau đó chỉ định thuộc tính của các đường dẫn bằng thư viện các đường ống và phụ kiện đường ống. Thiết kế khuôn ép nhựa (Mold design):Được tích hợp phần mềm moldflow chuyên dùng cho phân tích tính toán toàn bộ hệ thống khuôn, đạt độ chính xác cao, phân tích sản phẩm nhựa đa vật liệu, phân tích quá trình ép phun, tương tác biến đổi trường nhiệt độ của sản phẩm và toàn bộ hệ thống khuôn.
30 Phần kim loại tấm (Sheet Metal) tự động hóa thiết kế nhiều mặt khi làm việc với các bộ phận kim loại tấm. Người dùng có thể tạo ra các mô hình tấm phẳng, điều khiển kim loại tấm gấp, xác lập các thư viện, tùy chỉnh kim loại và tạo ra các bản vẽ sản xuất để hỗ trợ hoạt động sản xuất tấm kim loại.
Phần thiết kế khung (Frame Generator) giúp người dùng thiết kế và phát triển khung hàn cho các ứng dụng máy móc công nghiệp. Nó xây dựng kết cấu khung bằng cách thả chi tiết vào khung dây đã được xác định trước. Công cụ sinh khung đơn giản hoá khung về dạng khung dây và sau khi thiết kế xong khung dây chỉ việc xác lập lại các thành phần theo thư viện thép hình sẵn có.
Phần Cable (Cable &Wiring) Cho phép sử dụng một thư viện các loại dây điện và cáp điện để chạy dây với bán kính uốn phù hợp trong các thiết kế điện. Cho ta mô hình của thiết kế sát thực nhất.
Phần mô phỏng chuyển động tích hợp mô phỏng và phân tích ứng suất (Dynamic and Stress Analysis). Được dùng để mô phỏng và dự đoán trước các phản ứng của thiết kế đối với các tác động vật lý trong môi trường thực. Nhờ đó tối ưu hóa thiết kế.
Khả năng kết hợp và trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác Inventor sử dụng các định dạng tập tin cụ thể cho các chi tiết (IPT), cụm (IAM), và bản vẽ (IDW hoặc DWG). Tập tin có thể được nhập hoặc xuất trong định dạng DWG. Định dạng bản vẽ trên Web (DWF) được ưa thích của Autodesk 2D/3D có thể dùng để trao đổi dữ liệu dễ dàng. Inventor có thể trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm được phát triển bở Autodesk. Ngoài ra Inventor có thể trao đổi dữ liệu với các ứng dụng như CATIA V5, UGS, SolidWorks, và ENGINEER / Pro. Inventor hỗ trợ nhập trực tiếp và xuất của CATIA V5, JT 6, JT 7, Parasolid, Granite, UG-NX, SolidWorks, Pro / E, với các tập tin SAT. Inventor cũng có thể nhập/xuất các định dạng dữ liệu như STEP và IGES. Người dùng có thể xuất bản các bản vẽ cũng như các tập tin PDF, xuất bản các mô hình 3D chi tiết, cụm lắp ráp trong định dạng SAT hoặc JT, hoặc tạo các file STL đưa ra cho các máy in mẫu 2 chiều và 3 chiều.
Presentation Modeling là môi trường để mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết lại với nhau theo đúng qui trình lắp ráp thực tế của cụm chi tiết
31
Sử dụng phân tích trong phần mềm inventor cho phép ta biết được trường ứng suất và biến dạng trong chi tiết dưới tác dụng của các loại tải trọng khác nhau (lực tập trung, lực phân bố theo diện tích, momen, thể tích.)
Inventor có thể trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm được phát triển bởi Autodesk. Phần mềm cung cấp rất nhiều công cụ để đơn giản hoá, nhận biết và chuyển đổi sang thiết kế 3D cho những người dùng AutoCAD. [13]
2.5.2. Xây dựng model bằng phần mềm Inventor 2019
Cấu tạo model được chia làm 2 phần: Phần khối ống đa diện và bộ ống góp.
Dựa vào đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC VÀ BIÊN DẠNG THÂN CÂY BÔNG SÚNG ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO NHIỆT CỦA ỐNG ĐA DIỆN” của sinh viên k15 đã đưa ra kết quả về kích thước của Model tối ưu nhiệt độ.
Bảng 2.7: Kích thước model.
D (mm) d (mm) Dmax (mm) Dmin (mm) L (mm)
18 1 2.2 1 3.3
Trong đó:
D: là chiều dài đường kính ngoài của ống (mm).
d: là chiều dài đường kính đường tròn ngoài của khối ống đa diện (mm). Dmin: là đường kính nhỏ của biên dạng cánh hoa (mm).
Dmax: là đường kính lớn của biên dạng cánh hoa (mm). L: là khoảng cách của Dmax và Dmin (mm).
32
Hình 2.3: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện.
Hình 2.4: Model được xây dựng bằng phần mềm Inventor.
33
Do kích thước thiết bị trao đổi nhiệt bên trên hơi nhỏ, khó khăn cho quá trình thực nghiệm cũng như gia công. Vì vậy chúng em đã dựa vào nghiên cứu đăng trên INL về “Kỹ thuật phân tích tỷ lệ để thiết lập thực nghiệm kiểm tra thành phần, hệ thống nhỏ và hệ thống kết hợp”, nghiên cứu này đã chỉ ra phương pháp luận để chia tỷ lệ các thành phần nguyên mẫu ban đầu sang mô hình mới. Một trong những thành phần chính để tích hợp năng lượng là bộ trao đổi nhiệt, do đó phần này chủ yếu tập trung vào bộ trao đổi nhiệt và được sử dụng làm ví dụ để minh họa phương pháp chia tỷ lệ cấp thành phần rộng hơn.
Hình 2.5: Hình minh họa về bộ trao đổi nhiệt ban đầu và sau khi thu phóng.
Bảng 2.8: Bảng thu gọn các tham số tỷ lệ.
Parameters Value Units
Hydraulic diameter (Dh) Dh,m = Dh,p / Sf m Lenghth (L) Lm = Lp / Sf m Flow area (Af) Af,m = Af,p / Sf2 m2
34
Surface area (As) As,m = As,p / Sf2 m2 Volume (V) Vm = Vp / Sf3 m3
Từ đó chúng em đã phóng kích thước ban đầu của thiết bị trao đổi nhiệt lên 4 lần và có các thông số như sau:
Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ.
D (mm) d (mm) Dmax (mm) Dmin (mm) L (mm)
72 4 8.8 4 13.2
Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau khi tăng 4 lần. lần.
35
a. Phần khối ống đa diện
Là bộ phận quan trọng của thiết bị, nơi trực tiếp diễn ra quá trình trao đổi nhiệt.
b. Phần bộ góp
Đây là bộ phận nằm 2 đầu của khối ống đa diện, có nhiệm vụ tiếp nhận Liquid vào và ra của mô hình. Với kích thức như hình bên dưới.
Hình 2.7: Khối ống đa diện.
36
2.6. Tiến hành mô phỏng
2.6.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys
Ansys, Inc. là một công ty cổ phần của Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania. Ansys phát triển và tiếp thị phần mềm mô phỏng kỹ thuật. Phần mềm Ansys được sử dụng để thiết kế các sản phẩm và chất bán dẫn, cũng như tạo ra các mô phỏng để kiểm tra độ bền của sản phẩm, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và các tính chất điện từ.
ANSYS là một phần mềm bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế. Hầu hết các nhà đầu tư rất thích phần mềm phân tích kỹ thuật này so với những gì chúng làm được và số tiền mà họ phải bỏ ra.
Phần mềm này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật được tối ưu hơn, không chỉ làm việc với