创意平板折叠桌.doc

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1、2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： B 我们的参赛报名号为（如果赛区设置

2、报名号的话）： 所属学校（请填写完整的全名）： 参赛队员 (打印并签名) ：1. 2. 3. 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 数模教练组 日期： 2014 年 9 月 12 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：创意平板折叠桌摘要本文对创意平板折叠桌的折叠过程进行研究，用数学模型描述折叠桌的相关设计参数及其动态变化，用非线性优化模型确定最

3、优设计参数，并给出折叠桌设计的程序。问题一中，要求桌腿开槽的长度和桌脚边缘线。在整个变化过程中所有桌腿都由钢筋相连，且各桌腿与桌面连接点的相对位置不变。根据几何关系，由折叠后钢筋的位置及每根桌腿的长度即可计算每个桌脚边缘的位置。求出桌脚边缘的参数方程即可描绘桌脚边缘线。在折叠过程中，以桌高为参数，就可以描绘动态变化过程。分析发现，铺展时钢筋位于开槽的顶部，折叠时则位于底部。因此可由初末两个状态的钢筋与桌脚边缘距离之差计算开槽长度。结果是，从外到内桌脚槽宽依次为：0, 8.4, 11.5, 14.1, 16.2, 17.9, 19.3, 20.3, 21.0, 21.3 （单位：）。问题二只给定

4、了桌面面积与桌高，需自主确定桌腿长与钢筋位置。本文从三个方面来决定桌子具体形状：是否节约材料、稳固性、加工难易。分析发现桌腿越长用材越多，但稳固性越好。而开槽长度越短则加工越容易。由力学分析得桌子受压后不会变形的前提是最中间桌腿与桌面的夹角小于90度，即向内“凹”。为求得最优方案，本文采用非线性规划的方法，利用桌面面积和底面积建立目标函数，根据几何关系寻找约束条件，考虑实际赋予桌面与桌脚接触面积权值。用Lingo软件求得最优解。结果是桌脚接触面为正方形时达到最优。桌腿长度确定后，通过考察不同钢筋位置所形成的开槽长度来确定合适的钢筋位置。其中，槽长须为正且不超过相应的桌腿长。据此可以确定一个范围

5、，再根据槽长越短加工越易的原则确定最优钢筋位置。问题三由用户自由选择桌高、桌面形状与桌角线大致形状。本文提供一种简单的思路使得能够尽量满足客户的任意组合。确定桌子形状后参照第二问的标准确定桌腿长与钢筋位置。本文的程序利用第一问描述的几何关系描绘图案并计算加工参数。在最后本文设计了椭圆型桌面及心形桌面的桌子并描绘折叠过程的示意图。关键字：数学模型 非线性规划 加工参数 边缘线 设计优化 一、问题的重述某公司生产一种可折叠的桌子，桌面呈圆形，桌腿随着铰链的活动可以平摊成一张平板（如图1-2所示）。桌腿由若干根木条组成，分成两组，每组各用一根钢筋将木条连接，钢筋两端分别固定在桌腿各组最外侧的两根木条

6、上，并且沿木条有空槽以保证滑动的自由度（见图3）。桌子外形由直纹曲面构成，造型美观。附件视频展示了折叠桌的动态变化过程。试建立数学模型讨论下列问题：1. 给定长方形平板尺寸为，每根木条宽，连接桌腿木条的钢筋固定在桌腿最外侧木条的中心位置，折叠后桌子的高度为。试建立模型描述此折叠桌的动态变化过程，在此基础上给出此折叠桌的设计加工参数（例如，桌腿木条开槽的长度等）和桌脚边缘线（图中红色曲线）的数学描述。2. 折叠桌的设计应做到产品稳固性好、加工方便、用材最少。对于任意给定的折叠桌高度和圆形桌面直径的设计要求，讨论长方形平板材料和折叠桌的最优设计加工参数，例如，平板尺寸、钢筋位置、开槽长度等。对于桌

7、高，桌面直径的情形，确定最优设计加工参数。3. 公司计划开发一种折叠桌设计软件，根据客户任意设定的折叠桌高度、桌面边缘线的形状大小和桌脚边缘线的大致形状，给出所需平板材料的形状尺寸和切实可行的最优设计加工参数，使得生产的折叠桌尽可能接近客户所期望的形状。你们团队的任务是帮助给出这一软件设计的数学模型，并根据所建立的模型给出几个你们自己设计的创意平板折叠桌。要求给出相应的设计加工参数，画出至少8张动态变化过程的示意图。二、问题分析第一问所有参数都已给定，该问就变成了纯几何分析问题。首先注意到几个特征：桌腿的长度不变，桌腿与桌面连接处不变，同侧所有桌腿由不可弯曲的钢筋连接，平铺时所有桌脚成一条直线

8、。对于桌子折叠时的静止状态，每一根桌腿可看作是最外侧桌腿沿钢筋平行旋转而成。建立空间直角坐标系，根据桌腿与桌面及钢筋接触的两点可确定桌腿的直线方程，再由每根桌腿的长度即可确定桌脚的坐标，依次连接即成桌脚线。对于桌腿开槽长度，分析发现桌子平铺时钢筋位于槽靠近桌面的顶端，而折叠时位于靠近桌脚的顶端。由此，计算两个状态下钢筋与桌脚距离之差即可得每根桌腿开槽长度。对于桌子折叠的过程，取桌面离地面高度为变量，每确定一个桌高即用上述方法进行分析计算。由此可得到桌子在折叠过程中各参数的变化。问题二给定了桌面面积与桌高，需要确定的是腿长与钢筋位置。由此可确定第二问是一个求最优解的问题。制作桌子要考虑三方面因素

9、：是否节省材料、稳固性、加工难易。分析发现最外侧桌脚越长越费材料，但由于增加了底面积而增加了稳固性。另由力学分析得桌子在受压后不会恢复原状的必要条件是每侧最中间的桌腿与桌面的夹角小于90度，即向内“凹”。这样桌子受压时外侧桌腿向外的趋势与中间桌腿向内的趋势可通过钢筋抵消，从而使桌子具备抗压能力。钢筋的位置会影响桌腿开槽长度。槽的长度又有限制条件，即须为正数且小于所在桌腿长。其它的限制条件有：平铺时钢筋的位置须在最短桌腿范围内；折叠时以两侧中间向内的桌腿相碰为极限状态。该问难点在于如何建立一个优化模型以求得最优解。本文以材料总面积大小作为节省材料的评判标准，以桌脚与地面形成的底面积大小评判其稳固

10、性。以两者的加权差作为优化的目标函数。考虑实际确定权值后利用Lingo计算出最优解。考虑了前两个因素后考虑加工难易。以开槽长短作为加工难易的标准。考察不同钢筋位置时桌腿开槽长度，在约束范围内选取最优的槽长。问题三需要满足客户提出的需求以设计桌子。在设计时需要全面考虑所有限制因素，并选择最优方案。沿用第一问的计算方法及第二问的优化模型，根据客户给出的桌面形状、桌高及桌角线形状计算桌腿长、钢筋位置以及桌腿开槽长度等加工参数。应用前两问的程序，改动桌面边缘线的方程，输入客户给定的参数，即可绘图并得出最优的加工参数。在最后本文给出了两例分别以椭圆形与心形作为桌面形状。 三、模型假设1.假设桌子的材料和

11、钢筋足够坚固，能承受桌子上物体的压力不会断裂；2.计算时桌脚接触面为平面，轴穿过桌面中心，桌子关于轴对称。 四、变量说明桌子的长度的一半桌子的高度最外侧桌脚在面上的投影长度长方形木板面积四个桌脚所围面积圆桌面面积桌面的半径五、模型的建立与求解5.1问题一的求解如图1建立空间直角坐标系图1 桌子的坐标示意图 最外侧四个桌脚均落在平面内，桌子的圆心在轴上，且整个桌子关于轴对称。所有桌腿都平行于平面。其侧视图为图2 折叠后的桌子侧面示意图设圆桌面边缘上任意点（），钢筋固定点(),桌脚边缘点 （）。 桌面长度为，则桌脚长度为。桌子折叠后，钢筋相对于每一根桌腿的位置就确定了，因此每一根桌脚必然经过、三点

12、。可以利用几何关系求出所需加工参数。过作桌面的垂线，垂足为，则。则,，其中， 点()满足 过作桌面的垂线，使垂足为，根据两个相似三角形的关系得到桌脚点的坐标 由于 则 均可以用参数 来表示。因为 已知，而 ，所以折叠桌子的动态变化过程即是随着 变化，桌脚边缘线的变化过程。由于桌子的高度为 53 ，桌子厚度为 3 ，则桌脚的高度为 50 。由 ，利用matlab作图得 图3 桌子折叠后桌子边缘线的坐标图当桌子平铺为一张木板时，每根桌腿的槽的上沿位于同一条直线，即M点均在桌子长的处。故，所以槽的宽度。桌子折叠后后的距离即为图1中的长度。图4 木板上的槽宽示意图利用两点间距离公式得 利用matlab

13、作图，得到槽长关于的变化曲线图5 不同桌脚的槽的长度示意图 由图可以看出两侧的桌脚槽长为零，越中间的桌脚槽长越长。从一侧到中央的十根桌脚槽宽依次为：表1 各桌腿的开槽长度桌脚序号（从外到里）槽的长度(cm)第 1根0第2根8.4015第 3根11.5360第 4根14.1148第5根16.2456第 6根17.9768第7根19.3364第 8根20.3426第9根21.0072第 10根21.33775.2最优化模型与问题二的求解：5.2.1 该问分两部走，首先确定最外侧桌腿长，其次确定钢筋位置。折叠桌的最外侧桌腿长度决定了长方形木板的长，从而决定长方形木板的面积，面积越少，所用材料就越少，

14、于是通过建立最外侧桌腿长与面积的关系反映用材量。四个桌脚在地面围成长方形，根据物理常识，四个桌脚所围成的面越大，重心越不易落到接触面之外，桌子就越稳固。以木板总面积与桌脚形成矩形面积之差为目标函数，根据几何关系得出约束条件，对腿长的选择进行优化。长方形木板面积 四个桌脚形成的面积 圆桌面的面积 当时，这样的桌子被称为独脚桌，不稳定所以 图6 折叠后桌子的侧视图因为 OC=,CD= , 而最内侧的桌脚最多碰地，所以, 即 则可建立有约束条件的优化模型 对于厂商来说，节约成本很重要，所以取 代入数据 ，。用lingo运行得到结果 , 经计算可知最外侧的两根桌脚连线大约与圆相切，即四个桌脚形成的图形

15、为正方形。 该桌中最外侧桌脚 ，长方形木板面积为 ，桌脚最外侧桌脚面积为 。5.2.2利用所得的最优桌脚围成形状来确定最小槽宽桌腿上开槽长度越小加工越容易。同时槽长须满足一定约束条件：为正数、小于腿长。参照上述分析作示意图如下图7 木板上的槽宽示意图， 其中,图一中在中，由余弦定理得 槽宽= 代入原始数据和所得的 ，在Matlab中考察不同值对开槽长度的影响。除去不可取的位置后选取最优的槽长。表2各桌腿的开槽长度桌脚序号（从外到里）槽的最短长度第 1根0第2根13.8582第 3根18.6100第 4根17.8793第5根14.7612第 6根12.2463第7根10.2795第 8根8.82

16、75第9根78697第 10根7.39375.3问题三的求解： 根据客户的设定要求来设计，找出最优的加工参数。在问题一和问题二中我们研究的都是圆形，且给定了一些设计参数。但对于问题三，需要全面考虑所有限制条件以及客户所给出的各种组合能否实现的问题。在问题一中，给定长方形木板材料，但是实际上，桌子展开成平面时不一定非要是长方形。我们可以这样来想：首先，按照客户指定的桌面大小形状来做出桌面，然后根据桌高来确定并且做出四根接触地面的桌腿（如图，图只画了正面的两条桌腿）；在桌腿插上钢筋，然后再将木条向钢筋上放，要求是这些木条能恰好插入到钢筋（如图）；最后延长木条，使得木块下沿构成客户所需要的形状（如图

17、，图）。 图 图 图这个方法很显然可以实现，这样做可以方便加工，而且若是客户没有要求铺开时木板形状，我们还可以将木条的长度缩减到恰好能被钢筋连接起来，这样又可以节省一部分材料。在程序实现中，客户给定桌面形状、桌高以及桌脚边缘线大致形状，只要能给出桌面边缘的显式或参数方程，就可以自动计算加工参数并制图。本文考察了桌面为半长轴为50，半短轴为40的椭圆，高80的桌子，以及以系数为20的心形为桌面，高为70的桌子。给出了开槽长度及折叠过程示意图。1、 椭圆形桌面表3 各桌腿的开槽长度桌脚序号（从外到里）槽的长度 第 1根0第2根17.8746第 3根24.5662第 4根30.0544第5根34.5

18、735第 6根37.2380第7根34.3708第 8根32.2532第9根30.8564第 10根30.1623 2、 心形桌面表4 各桌腿的开槽长度桌脚序号（从外到里）槽的长度第 1根0第2根8.7391第 3根18.3158第 4根10.3634第5根6.7269第 6根3.6755第7根1.4695第 8根0.3274第9根0.4012第 10根1.7568第 11根4.3605第 12根8.0718第 13根12.6481第 14根17.7660第 15根12.0498第 16根0.0515 六、模型的评价与推广6.1模型的优缺点缺点：1.问题一二中，模型是理想化的，桌面并不是理想的

19、圆形，最外侧的桌脚的长度也不是桌长的一半。2.桌脚构成的边缘线并不是连续的，槽的长度构成的曲线也不是连续的，求得的数据有误差。优点：利用桌子各个参数之间的关系，将桌子加工的方式进行改进，使加工方式简化；62模型的推广1.本文建立的模型是简化很多条件后的，因为最外侧桌腿的顶侧并不是相接的，而是留有一小块木块，实际上不论是什么形状的桌子，都必须要留有一部分，否则两条桌腿便无法合上，实际的最外侧桌腿应该比长方形的一半要小，可以根据木块的厚度来决定所留木块的长短，再将这一数据代入模型中可以减小与实际情况的误差。2.槽长和最外侧桌腿与地面的夹角以及钢筋的位置有关，这样就可以将槽长和桌腿地面的面积以及桌面

20、面积联系在一起，建立一个二元变量的目标函数，钢筋的位置是有范围的，不能接触到桌面边缘，也不能超出最外侧木板，在这个约束条件内求最优的钢筋位置和最外侧桌腿与地面夹角。七、参考文献1 王思成，GBT，10357.7-1995家具力学性能试验桌类稳定性J，16-18.2012-09-13.八、附录附录一 计算第一问的加工参数cleari=0;for x=-25:0.05:25;%以x为参数计算桌脚坐标及开槽长度 i=i+1; x0(i)=x; z(i)=50; y(i)=sqrt(252-x2);y0(i)=sqrt(625-x.2)+(60-sqrt(625-x.2).*(16.583-sqrt(

21、625-x.2)/sqrt(1250-x.2+16.583.2-2.*16.583.*sqrt(625-x.2); z0(i)=50-25.*(60-sqrt(625-x.2)/sqrt(625+(sqrt(625-x.2)-16.583).2); d2(i)=sqrt(y0(i)-16.583).2+(z0(i)-25).2);%折叠时钢筋到桌脚的距离 d(i)=30-d2(i);%开槽长度end subplot(1,2,1)plot3(x0,y0,z0,r-)%绘制桌脚边缘线hold ongrid onsubplot(1,2,2)%绘制槽长变化曲线plot(x0,d)grid on附录二

22、第二问cleari=0;y1=30; %更改不同的y1来模拟不同的钢筋位置for x=-40:0.05:40 i=i+1; y(i)=sqrt(1600-x2); co(i)=(y1-y(i)/sqrt(y1-y(i)2+(7/4*y1)2); si(i)=7/4*y1/sqrt(y1-y(i)2+(7/4*y1)2); x0(i)=x; y0(i)=y(i)+(sqrt(6500)-y(i)*co(i); z0(i)=70-(sqrt(6500)-y(i)*si(i);%计算桌脚的坐标 d2(i)=sqrt(y1-y0(i)2+(70-7/4*y1-z0(i)2); d(i)=sqrt(65

23、00)-sqrt(y12+(7/4*y1)2)-d2(i); y2(i)=-y0(i); l(i)=sqrt(6500)-y(i);endsubplot(1,2,1)plot3(x0,y0,z0,r-)hold onplot3(x0,y2,z0)%绘制桌脚边缘线grid onsubplot(1,2,2)%绘制槽长变化曲线plot(x0,d)hold onplot(x0,l,r)%绘制桌腿长变化曲线grid on附录三min=11200*(1-0.5*sqrt(1-x2)/x; /此函数为加权后的目标函数x=0.580322535; /程序中的x就是,为了计算简便用了换元x=0.92157391

24、2;附录四 第四问 椭圆桌面cleara=50;b=40;%输入桌面形状h=80;%输入桌高hp=70;%折叠时变化的桌高i=0;y1=30;l=sqrt(a2+h2);z1p=hp-y1*hp/a;y1p=y1/a*sqrt(l2-hp2); for x=-b:0.01:b; i=i+1; x0(i)=x; y(i)=sqrt(1-x2/b2)*a2); z(i)=hp; l0(i)=l-y(i); si(i)=(hp-z1p)/sqrt(y1p-y(i)2+(hp-z1p)2); co(i)=(y1p-y(i)/sqrt(y1p-y(i)2+(hp-z1p)2); y0(i)=l0(i)*

25、co(i)+y(i); z0(i)=hp-l0(i)*si(i);%计算桌脚坐标 d2(i)=sqrt(y1p-y0(i)2+(z1p-z0(i)2); d(i)=l-l*y1/a-d2(i);%计算槽长end plot3(x0,y0,z0,r-)hold onplot3(x0,-y0,z0,r-)plot3(x0,y,z,r-)plot3(x0,-y,z,r-)grid on附录五 第四问 心形线桌面cleara=52;b=45;h=70;%输入桌子尺寸，高度hp=70;i=0;y1=40;l=sqrt(a2+h2);z1p=hp-y1*hp/a;y1p=y1/a*sqrt(l2-hp2);

26、 for t=0:0.01:pi; i=i+1; x(i)=20*(2*cos(t)-cos(2*t); x0(i)=x(i); z(i)=hp; y(i)=20*(2*sin(t)-sin(2*t); l0(i)=l-y(i); si(i)=(hp-z1p)/sqrt(y1p-y(i)2+(hp-z1p)2); co(i)=(y1p-y(i)/sqrt(y1p-y(i)2+(hp-z1p)2); x0(i)=x(i); y0(i)=l0(i)*co(i)+y(i); z0(i)=hp-l0(i)*si(i);%计算桌脚坐标 d2(i)=sqrt(y1p-y0(i)2+(z1p-z0(i)2); d(i)=l-l*y1/a-d2(i);%计算槽长end plot3(x0,y0,z0,r-)hold onplot3(x0,-y0,z0,r-)plot3(x0,y,z,r-)plot3(x0,-y,z,r-)grid on16