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《数学建模案例分析4.最优截断切割问题》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、数学建模建模案例：最优截断切割问题一、问题从一个长方体中加工出一个已知尺寸、位置预定的长方体（这两个长方体的对应表面是平行的），通常要经过6次截断切割.设水平切割单位面积的费用是垂直切割单位面积费用的r倍.且当先后两次垂直切割的平面（不管它们之间是否穿插水平切割）不平行时，因调整刀具需额外费用e.试设计一种安排各面加工次序（称“切割方式”）的方法，使加工费用最少.二、假设１．假设水平切割单位面积的费用为r，垂直切割单位面积费用为1；２．当先后两次垂直切割的平面（不管它们之间是否穿插水平切割）不平行时，调整刀具需额外费用e；３．第一次切割前
2、，刀具已经调整完毕，即第一次垂直切割不加入刀具调整费用；4．每个待加工长方体都必须经过6次截断切割.三、模型的建立与求解设待加工长方体的左右面、前后面、上下面间的距离分别为b0、c0，六个切割面分别位于左、右、前、后、上、下，将他们相应编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6，这六个面与待加工长方体相应外侧面的边距分a0别为u1、u2、u3、u4、u5、u6.这样，一种切割方式就是六个切割面的一个排列，共有种切割方式.当考虑到切割费用时，显然有局部优化准则：两个平行待切割面中，边距较大的待切割面总是先加工.由此准则,只需考虑种切割方式.即
3、在求最少加工费用时，只需在90个满足准则的切割序列中考虑.不失一般性，设u1≥u2，u3≥u4，u5≥u6，故只考虑M1在M2前、M3在M4前、M5在M6前的切割方式.案例分析数学建模1.e=0的情况图1G(V,E)为简单起见,先考虑e=0的情况.构造如图的一个有向赋权网络图G(V,E).为了表示切割过程的有向性，在网络图上加上坐标轴x，y，z，图G(V,E)的含义为：(1)空间网络图中每个结点Vi(xi,yi,zi)表示被切割石材所处的一个状态.顶点坐标xi、yi、zi分别代表石材在左右、前后、上下方向上已被切割的刀数.例如：V24(2
4、,1,2)表示石材在左右方向上已被切割两刀，前后方向上已被切一刀，上下方向上已被切两刀，即面M1、M2、M3、M5、M6均已被切割.顶点V1(0,0,0)表示石材的最初待加工状态，顶点V27(2,2,2)表示石材加工完成后的状态.(2)G的弧（Vi,Vj）表示石材被切割的一个过程，若长方体能从状态Vi经一次切割变为状态Vj，即当且仅当xi+yi+zi+1=xj+yj+zj时，Vi(xi,yi,zi)到Vj(xj,yj,zj)有弧(Vi,Vj)，相应弧上的权W(Vi,Vj)即为这一切割过程的费用.W(Vi,Vj)=(xj-xi)(bici)
5、+(yj-yi)(aici)+(zj-zi)(aibi)r其中，ai、bi、ci分别代表在状态Vi时，长方体的左右面、上下面、前后面之间的距离.例如，状态V5（1，1，0），a5=a0-u1,b5=b0-u3,c5=c0;状态V6（2，1，0）W(V5，V6)＝（b0-u3)c0(3)根据准则知第一刀有三种选择，即第一刀应切M1、M3、M5中的某个面，在图中分别对应的弧为(V1,V2)，(V1,V4)，(V1,V10).图G中从V1到V27的任意一条有向道路代表一种切割方式.从V1到V27共有90案例分析数学建模条有向道路，对应着所考虑的
6、90种切割方式.V1到V27的最短路即为最少加工费用，该有向道路即对应所求的最优切割方式.实例：待加工长方体和成品长方体的长、宽、高分别为10、145、19和3、2、4，两者左侧面、正面、底面之间的距离分别为6、7、9，则边距如下表：u1u2u3u4u5u66175569r=1时，求得最短路为V1－V10－V13－V22－V23－V26－V27，其权为374对应的最优切割排列为M5－M3－M6－M1－M4－M2，费用为374元.2．e0的情况当e0时，即当先后两次垂直切割的平面不平行时，需加调刀费e.希望在图1的网络图中某些边增加权来实现
7、此费用增加.在所有切割序列中，四个垂直面的切割顺序只有三种可能情况：<情况一>先切一对平行面，再切另外一对平行面，总费用比e=0时的费用增加e.<情况二>先切一个，再切一对平行面，最后割剩余的一个，总费用比e=0时的费用增加2e.<情况三>切割面是两两相互垂直，总费用比e=0时的费用增加3e.在所考虑的90种切割序列中，上述三种情况下垂直切割面的排列情形，及在图G中对应有向路的必经点如下表：垂直切割面排列情形有向路必经点情况一（一）M1－M2－M3－M4(1,0,z),(2,0,z),(2,1,z)情况一（二）M3－M4－M1－M2(0,
8、1,z),(0,2,z),(1,2,z)情况二（一）M3－M1－M2－M4(0,1,z),(1,1,z),(2,1,z)情况二（二）M1－M3－M4－M2(1,0,z),(1,1,z),(1,
