黃春妙 汪繼秀

摘 要 本文主要利用二重積分求立體體積的方法解決如下問題：當(dāng)儲油罐發(fā)生變位時，油位高度和儲油量的變化關(guān)系?？山⑷缦履Ｐ停寒?dāng)罐體發(fā)生縱向位傾斜角時（以 = 4.1拔枚鼗炙慍齟⒂土康奶寤齎與油位高度的函數(shù)表達式，由函數(shù)表達式畫出函數(shù)圖像，由圖像進行最小二乘法擬合，得到如下模型： = -1.0923023 + 4.9804020 9.0757017 + 8.12020143.21390113.4521009 + 1.00440050.00032896 + 0.0084474根據(jù)模型可得到罐體變位后油位高度間隔為1cm的罐容表標定值。

關(guān)鍵詞 最小二乘法 二重積分 曲線擬合 數(shù)值分析 matlab

中圖分類號：O13 文獻標識碼：A

許多儲油罐在使用一段時間后，由于地基變形等原因，使罐體的位置會發(fā)生縱向傾斜和橫向偏轉(zhuǎn)等變化（以下稱為變位），從而導(dǎo)致罐容表發(fā)生改變。按照有關(guān)規(guī)定，需要定期對罐容表進行重新標定。為了掌握罐體變位后對罐容表的影響，利用圖1的小橢圓型儲油罐（兩端平頭的橢圓柱體），當(dāng)罐體發(fā)生傾斜角為 = 4.1暗淖菹蟣湮皇保⑹P脫芯抗尢灞湮緩蠖怨奕荼淼撓跋臁2⒏齬尢灞湮緩笥臀桓叨燃涓粑？cm的罐容表標定值。

首先建立空間直角坐標系，如圖2所示，以探油針所在直線為軸，過探針與油桶的底部交點，利用橢圓柱的直母線作軸，再以交點作原點建立三維空間笛卡爾直角坐標系。

根據(jù)圖2建立橢圓柱面的方程為： + = 1其中 = 0.89， = 0.6。

當(dāng)桶內(nèi)有油時，油面與水平面是平行的，當(dāng)桶發(fā)生生變位時，油面與平面成角。當(dāng)油針所在位置為油高時，油面可建立平面的方程為：

+ + + = 0（≠0），

由方程可知該平面過點（0，0，）和點（0，，0）且與面（ = 0）的夾角為，可建立方程：

整理上述方程組（1）得

解方程組（2）得 = 0。

所以平面方程為：

+ = 0即 = + = 0。

若平面經(jīng)過原點，則平面方程為：

+ = 0即 = - 0。

油平面截橢圓柱面所得下半部分的體積，利用二重積分可將體積表示如下：

（1）當(dāng)油還沒有到達探針底部時 = 0， 0≤≤，

= 2，其中 = {（）∣-0.4≤≤0，0≤≤- }

經(jīng)計算 = 0.001674，此時罐儲油量0≤≤ = 0.001674。

這時油面油位探針顯示的示數(shù)是0。

（a）小橢圓油罐正面示意圖

（b）小橢圓油罐截面示意圖

圖1 小橢圓型油罐形狀及尺寸示意圖

圖2

（2）當(dāng)油面高過探針底部到油面到達另一端底部時，0<≤2.05

= 2， = {（）∣-0.4≤≤，0≤≤ }。

求解得：

= 11.7 + 0.2759[259.0） + 4.47 + 4.47 （1.6670.9522）祝？.6670.9522）6.686

（3）油面達到另一端底部到前一段頂部時，2.05<≤1.20.4

= 2， = {（）∣-0.4≤≤2.05，0≤≤ }。

運行的結(jié)果：

（4）油面達到前一段頂部到探針頂部時，1.20.4<<1.2， = +

= （0.4）

= 2， = {（）∣-（0.4）≤≤2.05，0≤≤ }。

結(jié)果： = 35.110.2759[259.0） + 0.2759[25.09] + 4.47（3.3332.952）4.47（1.6671.245）（1.6671.245） + 4.474.4739.4

（5）當(dāng) = 1.2時，3.98 = （1.2）≤≤

利用最小二乘法擬合函數(shù)得：

= -1.0923023 + 4.9804020 9.0757017 + 8.12020143.21390113.4521009 + 1.0044005 0.00032896 + 0.0084474。

利用擬合函數(shù)可得罐體變位后油位高度間隔為1cm的罐容表標定值的表格（省略）。

本模型的最大優(yōu)點是巧妙地運用初等數(shù)學(xué)知識建立數(shù)學(xué)模型，并通過利用數(shù)學(xué)工具和Matlab編程的方法，嚴格地對模型求解，具有科學(xué)性。建立的模型能與實際緊密聯(lián)系，結(jié)合實際情況對所提出的問題進行求解，使模型更貼近實際，通用性、推廣性較強。由于該模型是通過分類討論，在微積分與立體幾何相結(jié)合的基礎(chǔ)上建立的，因此計算結(jié)果與實際比較接近，實用性比較強，同時這種思想也能推廣到其他形狀的圖形的體積計算中去，服務(wù)于各種圖形的求解及其測量。

基金項目：廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項目（GXTSZY2220）《數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)》；河池學(xué)院重點學(xué)科《應(yīng)用數(shù)學(xué)》（2007）和《統(tǒng)計學(xué)》（2013），新世紀教改工程2011年項目（2011JGB321），2011年度廣西教育廳科研項目—立項項目（201106LX583），2011年度院級青年科研立項A類項目（2011A-N009），湖北省教育廳科研計劃項目（Q20122504）

參考文獻

[1] 劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用（第二版）.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 吳建國等.數(shù)學(xué)建模案例精編.北京：中國水利水電出版社，2005.

[3] 王冬琳.數(shù)學(xué)建模及實驗.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[4] 華東師范大學(xué)數(shù)學(xué)系.數(shù)學(xué)分析（第三版）.北京：高等教育出版社，2001.

[5] 馮杰等.數(shù)學(xué)建模原理與案例.北京：科學(xué)出版社，2007.

[6] 陳汝棟等.數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)建模.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[7] 李志林.數(shù)學(xué)建模及典型案例分析.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.