Jack315 发表于 2024-4-2 15:38:34

这是我推导椭圆台曲面参数方程的过程,供参考。

椭圆台上椭圆参数方程:
\(x=a_1\cos\varphi+x_{10}\)
\(y=b_1\sin\varphi+y_{10}\)
\(z=h_1\)

椭圆台下椭圆参数方程:
\(x=a_2\cos\varphi+x_{20}\)
\(y=b_2\sin\varphi+y_{20}\)
\(z=h_2\)

各参数取相同的线性关系(中括号里的表达式)得椭圆台曲面参数方程:
\(x=[\lambda a_1+(1-\lambda)a_2]\cos\varphi+[\lambda x_{10}+(1-\lambda)x_{20}]\)
\(y=[\lambda b_1+(1-\lambda)b_2]\sin\varphi+[\lambda y_{10}+(1-\lambda)y_{20}]\)
\(z=[\lambda h_1+(1-\lambda)h_2]\)

\(0\le\lambda\le1\),\(0\le\varphi\le2\pi\) 。

Jack315 发表于 2024-4-2 20:39:31

本帖最后由 Jack315 于 2024-4-2 20:56 编辑

到目前为止所讨论的空间曲线都是某个平面上的椭圆,而椭圆是圆锥曲线的一种。
因此这类斜椭圆锥体、椭圆平台……等与平面截交线展开的问题,
是不是可以通过三维空间的旋转、平移和缩放,转换为正圆锥体与某个平面交线的展开问题?

如果答案是肯定的,则只要研究正圆锥体与某个平面截交线展开这一个问题就可以了。
而相应的计算公式可能也会变得简洁得多。

更进一步地是否可以将正圆锥体定义成一个标准的圆锥体,如高和底面圆半径都为 1 的单位正圆锥体。
然后通过平移、旋转和缩放得到所需的(椭)圆锥体。

参考:三维空间中的几何变换-平移旋转缩放

数学星空 发表于 2024-4-10 16:54:58

参照46#的参数形式,我们可以设椭圆台的曲面参数方程为

\(x(t)=(ka_1+(1-k)a_2)\cos(t)+(kx_1+(1-k)x_2)\)

\(y(t)=(kb_1+(1-k)b_2)\cos(t)+(ky_1+(1-k)y_2)\)

\(z(t)=kh\)

我们可以计算上椭圆右端点\(k=1,t=0\)得到坐标点\(A\)

下椭圆左端点距底\(h_0\)处点\(k=\frac{h_0}{h},t=\pi\),得到坐标点\(B\)

由A,B两点得到斜切面方程:

\((h^2 - hh_0)x + (-a_1h - a_1h_0 - a_2h + a_2h_0 + hx_0 - h_0x_0)z + 2a_1hh_0 + a_2h^2 - a_2hh_0=0\)

斜面截交曲线方程:

\(x=(ka_1 + (1 - k)a_2)\cos(t) - kx_0\)

\(y=(kb_1 + (1 - k)b_2)\cos(t) - ky_0\)

\(z=kh\)

\(k=\frac{(a_2h - a_2h_0)\cos(t) + 2h_0a_1 + a_2h - a_2h_0}{(a_1h - a_1h_0 - a_2h + a_2h_0)\cos(t) - a_1h - h_0a_1 - a_2h + a_2h_0}\)

偏心椭圆台曲面的隐函数方程:

\(\frac{(xh+zx_0)^2}{(za_1+a_2h-a_2z)^2}+\frac{(yh+zy_0)^2}{(zb_1+b_2h-b_2z)^2}=1\)

由上面的极径和极角公式,我们可以计算得到:

例1:正椭圆台

\(a_1 = 50, a_2 = 80, b_1 = 100, b_2 = 150, h = 150, h_0 = 0, x_0 = 0, y_0 = 0\)

斜切平面方程:

\(z=\frac{15x}{16}+\frac{1200}{13}\)

截交曲线参数方程:

\(x = 800\frac{\cos(t)}{3\cos(t) + 13}\),
\(y = 50\frac{\cos(t) + 31}{\sin(t)(3\cos(t) + 13)}\),
\(z =1200\frac{\cos(t) + 1}{3\cos(t) + 13}\)

绘图

绘图

(中间的曲线为截交曲线展开曲线,内外两条曲线为椭圆台上下端面展开曲线)

绘图

渐近分析展开得到的误差在 \([\pi,2\pi]\)区间误差较大,最大误差接近0.18度,可以勉强使用

渐近分析展开公式





对于偏心椭圆台:

\(a_1=50,a_2=100,b_1=80,b_2=250,h=150,h_0=30,x_0=10,x_1=-10,x_2=0,y_0=50,y_1=-50,y_2=0\)

绘图

绘图

绘图

(细线部分为利用渐近展开计算得到结果,粗实线为理论数值计算的结果,明显已偏移,渐近展开方案已不适用偏心椭圆台的计算)


经过各种尝试,终于找到一种变结点权函数的计算公式(高斯-勒让德积分计算公式,适用于偏心椭圆台展开计算)

(1)若将整个 \(\)分成4等份计算,最大误差为0.9887度
         

       计算公式见
      

(2)若将整个 \(\)分成4*8=32等份计算,最大误差为10^(-3)度,足矣满足工程要求

      计算公式见
      

       其中\(g_k\)的脚标表示\(t=k\)时的函数取值
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