数学建模案例分析 最优化方法建模5产品试验与设计

发布 2023-05-17 20:32:28 阅读 5214

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5 产品试验与设计。

许多产品如橡胶、塑料、农药、饲料等都是由若干种原材料按一定配比混合加工而成,不同的原料配比既可影响产品的质量,也会影响企业的利润,于是存在着所谓最佳配比问题。另外,一些机电产品在设计或加工过程中的若干参数,也存在类似的优化问题,试看以下的例子。

例10 某种橡胶制品含有种原材料,制品的强度、硬度、变形率等指标与各种原材料的含量有关,试配合试验建立适当的数学模型。寻求最佳的原料配比。

首先经过试验并结合一定的理论分析,确定各性能指标与原材料含量之间关系。记种原料含量分别为,强度、硬度、变形率3个指标分别为,,。取不同的原料配比作组试验,得以下数据:。

设根据理论分析和经验,与,,间有函数关系。

然后,建立寻求最佳原料配比的数学模型。为简化问题,确定一个主要指标如强度作为目标函数,而将另外2个指标作为约束条件处理,这时模型可表为:

其中是硬度指标下限,是变形率的上限,(5)是将作为配比(%)而引入的。一般来说,这是一个非线性规划模型。实际上,由(1)式确定也可视为非线性规划问题,只不过当它们是线性函数时,问题化为线性规划,很容易求解。

例11 某厂生产种饲料,它们均由种原料配合而成,在中含量(百分比)的上限为,下限为。若的售价为(元/千克),的成本为(元/千克),的**量不超过,,试确定各种饲料的产量及其原料配比,使工厂的利润最大。

决策变量是各种饲料的产量及其中各原料所占百分比。记的产量为,在中的比例为。目标函数是工厂的利润,即总收入与总成本之差。的收入为,而在中的成本为,于是利润为。

用量的约束条件为。

原料含量的约束条件为。

问题归结为在条件(2)~(6)下求,,使(1)式给出的最大。

例12 在汽轮机转子叶片的安装设计中有如下的问题:由于考虑到共振等因素,各个叶片的质量和形式需要微小的差别。这样当转子转动时,各个叶片产生的惯性离心力的大小就有差异,以至形成总的偏离轴心的作用力。

设计中要将各叶片适当排列,让不同方向的离心力尽量抵消,使总的离心力达到最小。由于叶片数量很多(如一百以上),经验方法难以奏效,所以希望用建模方法找到最佳的叶片排列方案。

假设有个叶片,已知它们转动时产生的离心力的大小为,转子的一周分为等分,各分点表示安装叶片的位置,其幅角为,于是当叶片安装在位置上时,产生的离心力(向量)可用复数。

表示。叶片的安装方案可以看作一个任务分派问题,我们引入0—1变量。

则个叶片的合力(向量)为。

问题的目标函数可取合力f的模的平方。

约束条件显然为。

由于乘积项在(1)式**现,这是一个二次规划模型。--

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