2014数学建模B题论文(国赛二等奖)(3)

2019-04-14 19:53

我们可以根据木条最低点的空间坐标画出他的三维散点图,和曲线图。

图4:桌脚边缘线三维散点图

图5:桌脚边缘线形状图

它的动态变化图,高度以0.5的步长递增,算出相应的x,y坐标。画出它每一个高度对应的曲线程序如下:

h=0:0.5:50; for i=1:20 b=26.096876;

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r=25; k=2.5;

a2=[(i-1)*k+k/2;

(sqrt((sqrt(b^2-h^2/4)-(sqrt(r^2-((i-1)*k+k/2)^2)-7.806247498))^2+(h/2)^2)/(l/2-sqrt(r^2-((i-1)*k+k/2)^2)))*sqrt(b^2-(h/2)^2)+sqrt(r^2-((i-1)*k+k/2)^2);

(sqrt((sqrt(b^2-h^2/4)-(sqrt(r^2-((i-1)*k+k/2)^2)-7.806247498))^2+(h/2)^2)/(l/2-sqrt(r^2-((i-1)*k+k/2)^2)))*(h/2);

]; x=a1(1,:); y=a1(2,:); z=a1(3,:); plot3(x,y,z,'k') hold on; End

由上面程序可画出折叠过程中每根桌脚的动态变化趋势图:

图6:桌脚的动态变化图

(二)结合给定条件及产品用材最少等要求,算出设计折叠桌的最优加工参数。

设任意给定的折叠桌高度为h,圆形桌面直径为d,由于可根据顾客要求给出,但一经给出即为确定的数,故都可视为常数。设每根木条宽为k,且最初时钢筋两端固定在桌腿最外侧木条距A1点?处。

设计折叠桌时,主要考虑产品稳固性好、加工方便、用材最少三方面的因素。第一,

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由于产品稳定性与角度有关,并且与桌面直径越大时相应的木条的宽度更宽,否则承受力太小,加之开槽会破坏稳定性。第二,桌子的加工主要体现在开槽方面,因此,开槽长度总和越小,加工越方便。第三,当长方形平板材料体积最小时,用材最少。

若设计折叠桌的目标记为Z,则Z等于用料量与开槽长度总和的加权和,需要求出Z的

d最小值,设最外侧木条和z轴正向夹角为?,长方形材料的长度为l,则有木条条数为

kd(记?2n)。

k设Ai表示每根木条与桌面的连接点坐标,Bi表示初始状态钢筋与木条交点坐标,Ci表示最终状态时木条各端点的坐标,则可得

?d?kk2??d?3k92??d?5k252???,A3??,A1,?dk,0?,A2?,k?3kd,0,k?5kd,0 ?????2?444?2??2????d??2n?1?k?2n?1?2???,An?,?k???2n?1?kd,0?; ??2?2????d?k??d?3k??d??2n?1?k?k2k2k2?????B1,???dk,0,B2,???dk,0?,Bn,???dk,0??2??2???4424??????22?d?k??d?3k?kk???,?cos???dk,?sin?,C2,?cos???dk,?sin?? ;C1?2??2?44?????d??2n?1?k?k2??,Cn,?cos???dk,?sin?? ??24??则第i木条的开槽长度为:

BmCm?AmCm?AmBm2??k2?2m?1?2???cos???dk??k???2m?1?kd????sin?? ??4?2???2k2?2m?1???k???2m?1?kd????dk4?2?2其中Q1是最外侧桌腿的下端点,sin??hlk??dk242,于是

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BmCm?AmCm?AmBm????????22hk?h?2m?1?????2?????(1?())??dk?k?2m?1kd?????l?224?2?lkk ??????dk??dk????244???2?k2?2m?1???k???2m?1?kd????dk24??设权重为?,而平板材料体积V?ldw,于是目标函数Z为用料体积和开槽长度总和的加权和,即Z??ldw?(1??)?BmCm。

m?1d2k222利用Maple软件编程,通过调用函数,使用Lagrange乘数法求极值的方法,可计算出Z取最小值时各个设计参数的取值。 Maple主程序如下(输出结果见附件1):

设桌子的加工参数钢筋位置、木板条数、木板宽度、桌面直径、桌面高度、木板长度、权重,木板厚度分别为?,n,k,d,h,l,?,w错误!未找到引用源。,则桌面边界点的y坐标值的表达式为

输出上述表达式的程序为:

计算错误!未找到引用源。值的程序为:

每个木板上打槽的长度函数表达式为:

则每个木板上打槽长度输出程序是:

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则槽长总和的表达式是:

在上面程序中当h=70 cm,d=80 cm时,可得出最优设计加工参数。

由于在考虑目标最小时,两方面因素的侧重点可能不同,但一般方面都需考虑,故权重所取得差别不应太大,在此我们取??0.45和??0.55两种情形进行讨论,并且木条宽度k应能被80整除,且k不能太大影响美观。对厚度而言,一般根据市面上的桌子而言厚度一般不会太厚,故对厚度w取2.5和3进行讨论,得出以下结果。记开槽长度为

canchang,桌腿与z轴的夹角为?,钢筋位置距Ai距离为?,平板长度为l。

表6 k=2,w=3,权重=0.45 k=2,w=2.5,权重=0.45 k=2,w=2,权重=0.45 k=2,w=3,权重=0.55 k=2,w=2.5,权重=0.55 n 1 2 3 4 5 6 7 caochang 0 4.634467 7.993483 10.777453 13.189445 15.322029 17.226555 n 1 2 3 4 5 6 7 caochang 0 3.316478 5.736488 7.755697 9.516513 11.083021 12.490187 n 1 2 3 4 5 6 7 caochang 0 3.678339 6.357325 8.588413 10.530808 12.255373 13.802621 n caochang 1 2 3 4 5 6 7 n caochang 1 2 3 4 5 6 7 0 4.819945 8.306347 11.192349 13.689980 15.895249 17.866303 0 6.608278 11.284924 14.103899 16.544322 18.700653 20.625567 12


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