创意平板折叠桌问题的模型设计与优化

1创意平板折叠桌问题的模型设计与优化一、摘要本文在充分考虑实际设计需求的基础上，讨论了某公司生产的创意平板折叠桌的动态变化过程和一定条件下最优加工参数的设计问题。通过建立空间直角坐标系进行几何分析，构造非线性规划模型，并利用Matlab和Lingo软件编程求解，得出各种条件下的设计参数结果。在问题一中，本文从桌子的稳固性出发，从物理学的角度，根据受力分析，寻找稳固性条件下的约束条件，构建非线性规划模型，并利用Lingo求得单侧20根桌腿情况下的开槽长度、桌腿边缘线等参数，在此基础上描述了折叠桌折叠运动的动态过程。由于问题一采用了构建非线性规划的方法，因此在求解第二题的过程中，本文依然通过寻找约束条件和修改目标函数来优化模型，根据给出的桌面直径和桌子的高度，可以用Matlab求出各个需求的加工参数，所以此模型能够很好地满足设计者及生产者的需求。根据题目中给定的桌面高度70cm和桌面直径80cm的条件，用Matlab编程求解得出从外侧第2根木条到第10根槽长分别为11.86cm，18.94cm，24.54cm，28.98cm，32.42cm，34.93cm，36.58cm，37.40cm。针对问题三，根据客户要求的折叠桌高度，桌面边缘线的形状大小和桌脚边缘线的大致形状，结合实际情况，发现现实生活中主要的桌面形状是分偶数边正多边形和椭圆形两种情况考虑，通过几何图形分析，分别建立非线性规划模型，根据题意寻找约束条件，优化模型，用Matlab编程求解。关键词：非线性规划几何分析受力分析空间直角坐标系2二、问题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。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上，并且沿木条有空槽以保证滑动的自由度。本文根据给定的各种数据研究以下几个问题：1.给定长方形平板尺寸为120cm×50cm×3cm，每根木条宽2.5cm，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53cm。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4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。对于桌高70cm，桌面直径80cm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。三、问题分析针对问题一，题目给定长方形平板尺寸为120cm×50cm×3cm，每根木条宽2.5cm，折叠后桌子的高度为53cm，在此问中为简便计算，我们暂不考虑桌面平板的厚度和桌腿之间的缝隙，按照最大20根桌腿的情况进行计算。同时对桌腿进行受力分析得知当Rbhb1221)-60(时，桌子的稳固性最强，3此时可以以n的补角的余弦值ndh2cos最大为目标，建立非线性规划模型，在求解最外侧桌腿的参数的基础上，利用递推公式编程逐步得出20条桌腿的设计参数和折叠桌整体变化趋势。针对问题二，我们从问题中的用材最省、稳固性高、加工方便三方面来考虑，建立非线性规划模型。首先，从用材最省的角度出发，我们以平板体积最小为目标函数，其次，要满足桌子的稳定性，由问题一的分析，我们可以知道，在折叠情况下，当最外侧桌腿桌脚到桌面直径的平面距离要和桌面半径的距离保持一致，此时桌子的稳固性最高。然后，我们从加工方便的角度考虑，开槽长度越短，加工就相对方便一点，开槽长度最短也是我们的目标。最后，综合上面三个角度的考虑，建立非线性规划的数学模型，任意给出，桌子的高度和桌面的直径，都能够求得理想的加工参数。针对问题三，结合实际生活，我们只考虑桌面边缘形状为正多边形和椭圆形的两种情况，然后在问题二的基础上，对模型进行延伸和扩展，根据设计者的目的及要求，得到理想的桌子的加工参数。四、模型假设1.假设木条之间没有缝隙且木条表面足够光滑。2.假设桌子折叠展开的时候受力均衡。3.桌子一直处于水平状态。五、符号说明cba,,：分别为平板木块的长宽高nd：每条桌腿钢筋到相应桌腿顶点的距离n：每条桌腿与圆形桌面下底面夹角（左侧）n：桌腿编号4R：圆形桌面半径nb：各桌腿顶点处到过桌面中心垂直于桌腿的直径的距离h：折叠桌的高度nf：桌腿长度nba2nE：桌子平铺时各桌腿中钢筋到铰链的距离nQ：折叠后各桌腿中钢筋到铰链距离d：桌腿宽度m：桌腿条数（单侧）k：钢筋到相应桌腿的长度占整条桌腿的长度比例i：偶数正多边形条数L：偶数正多边形边长n：桌面圆心与第n条桌腿所对应的铰链的连线与桌面半径的夹角ns:第n条桌腿的开槽长度BA,：分别为椭圆形桌面长半轴和短半轴长六、模型的建立与求解1.问题一在第一题中，给定长方形平板尺寸为120cm×50cm×3cm，每根木条宽2.5cm，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53cm。根据题意得一侧木条的最大数量为205.250根，我们姑且不考虑缝隙，按最大根数计算。由于整个桌子是对称的，可以以桌子侧视图的二分之一来考虑，如图1设桌腿与桌面底部的夹角（左侧）为，从外侧向内第n根桌腿的夹角为n，桌腿5钢筋到与桌面结合处的距离ED为d，外侧向内第n根桌腿的该距离为nd。图1设桌子折叠开的高度为h（不包含木板的3cm厚度），各桌腿与桌面结合处到圆形桌面直径的距离为10......3,2,1,nbn，圆形桌面的半径为R。实际上，只有四个最外侧桌腿接触到地面，为了保证桌子的稳固性，必须有约束条件：Rbhb1221)-60(同时，对折叠桌桌腿进行受力分析，根据受力分析，可知桌腿张力越大，则夹角n越小，即n的补角的余弦值1-60cosbh越大，也可表示为目标函数ndh2cos的增大。又根据题意和勾股定理，得约束条件625212bR。综上所述建立非线性规划模型如下：160cosmaxbh62560..2121221bRRbhbts）（6为了方便运算我们对桌腿进行编号，如图2，从最外侧的桌腿开始编号依次为1到10。图2设桌腿长度为Znnfn,101,，根据题意有)11(5.2602nRbbfnnn由此我们可以将nd，用多项式表示出来，第1条桌腿与桌面结合处到原面直径的距离：2260111fbd第2条桌腿与桌面结合处到原面直径的距离：1112212122cos)(2)(dbddbdd第3条桌腿与桌面结合处到原面直径的距离：1113212133cos)(2)(dbddbdd以此类推，第n条桌腿与桌面结合处到原面直径的距离为10.....3,2,1,cos)(2)(1112121ndbddbddnnn7从而我们也可以将夹角n间接表示出来：112arcsindh21221222122)(2arccosdbdddbd）（31321232133)(2arccosdbdddbd）（以此类推nnnnndbdddbd)(2arccos121221）（根据以上分析建立方程组如下：502-6025)2(11221221hbdkRRbhd○1利用Lingo编程求解最外侧木条的参数，结果如表1：表1变量数值h501d53.651b6.35R25.79然后我们根据所得结果，以与圆形桌面圆心相对应的地面点为原点，坐标系如图3所示。8图3另外，槽长等于2211nnnnnnfbbdbfbd。根据递推公式编程（Matlab）得出的结果如表2所示：表2ndnbnnfnS26.82506.35001.941853.6500025.238712.61241,708447.38764.676125.000916.28871.562343.71138.114625.164618.94921.456341.050810.938925.477320.98391.376939.016113.286225.828022.56261.316937.437415.215626.159323.77651.272036.223516.760826.439224.67941.239335,320617.943626.649225.30461.217134.695418.778826.778825.67241.204324.327619.2762最后根据我们建立的空间直角坐标系，给出各个桌脚的坐标后，得出边缘线图像如图4和图5所示：9图4图5运用Matlab编程，用坐标表示折叠桌的动态变化趋势见图6。图62.问题二设桌子的半径为R，桌腿的宽度为d，桌腿的条数为m（单侧桌腿数）,桌腿10的编号为n。现在将桌腿按照前面所述的规则，从外到内依次编号，由于桌子是对称的，所以我们只考虑单侧桌腿的二分之一的桌子情况。根据问题一的分析，我们分析出桌腿数量的确定如下：ZdRdRZdRRm2,22,1d2根据问题的要求，首先考虑桌子的用材较少，以平板体积最小为目标函数，即abcfmin，题目中cm3c对体积的影响较小，且根据实际生活经验，桌子的厚度差别不大，为了计算方便，我们直接将c设定为cm3。其次，当dmbchb22a1221时，桌子的稳固性最高。综上，建立模型如下：03222,22,122.min1221221dcmdbdmbchbaZdRdRZdRdRmdmRbtsabcf○1根据此模型，给出设计者想要的桌子半径和桌子高度，我们可以得到平板尺寸，然后考虑桌子加工要方便的角度，即开槽长度要最短。假设nE为平铺时钢筋到铰链的长度，nQ为折叠时钢筋到铰链的长度，ns为开槽长度，k为钢筋到桌脚的长度占整条桌腿长度的比例，出于安全和稳固性的考虑，开槽长度应该小11于槽底到桌脚的长度，综上，建立模型如下：2...,3,2,12arcsincos121212.min1111121212221mnkfEQbachfkbbbbfkQkffEbafdnmRbtsEQfnnniinnnnnnnmnnn○2根据此模型，结合模型○1，我们可以用Matlab求解出开槽的位置以及开槽的长度，根据题意给出的数据，cmRcmh40,70，利用Matlab求解的具体参数，求解4857.0k，开槽总长度为cm8432.827，其它参数参见表3和表4，具体程序详见附录2表3abcdm1d158.002cm79.9cm3cm4.7cm17cm39.6272cm表4桌腿编号123456789ns(cm)011.8618.9424.5428.9832.4234.9336.5837.403.问题三12问题三在问题二模型的基础上，进行相应的改进和扩展，根据现实需要和实际情况，我们只考虑桌面边缘线形状为正多边形和椭圆形的情况，正多边形情况下只考虑桌面边缘形状中两条边与平板边界重合的正多边形。(1)桌子边缘线形状数为多边形的情况当桌面边缘线为偶数正多边形时，给定任意折叠高度h