假设你是matlab程序员,已知作用激光功率为P=600w,半径为w=1cm的基模高斯激光,已知岩石样品的密度为ρ=2g/cm3,比热容为C=0.75J/(g.K),热传导系数为K=4.4W/(m.K),假设岩石对光吸收率为η=0.6,岩石为长 x=10cm,宽y=10cm,高z=15cm的长方体体,初始温度T0=300K, 根据matlab软件利用有限差分法对内部结点,表面结点、棱边结点和顶点结点的分别进行隐式差分计算,获取材料不同深度下表面沿x轴的温度场和应力场
时间: 2023-06-16 08:07:49 浏览: 102
基于MATLAB语言的He-Ne激光器基模高斯光束分布的实验数据处理.pdf
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首先需要确定边界条件,由于这是一个稳态热传导问题,因此可以假设边界处温度不变化,即Dirichlet边界条件。另外,由于本题中涉及到三维热传导问题,因此需要使用三维有限差分法进行求解。
根据热传导方程,可以得到下列数学模型:
$$\frac{\partial^2 T}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial z^2}+\frac{\dot{q}}{k}=0$$
其中,$\dot{q}$表示单位体积的热源,对于本题来说,由于激光功率为$P=600W$,激光束面积为$S=\pi w^2=3.14\times 10^{-4}m^2$,因此单位体积的热源可以表示为:
$$\dot{q}=\frac{P}{S}=19.11\times 10^6 W/m^3$$
根据上述模型,可以将其离散化为下列方程:
$$T_{i,j,k-1}-2T_{i,j,k}+T_{i,j,k+1}+\frac{\Delta z^2}{\Delta x^2}(T_{i-1,j,k}-2T_{i,j,k}+T_{i+1,j,k})+\frac{\Delta z^2}{\Delta y^2}(T_{i,j-1,k}-2T_{i,j,k}+T_{i,j+1,k})+\frac{\dot{q}}{k}\Delta x^2\Delta y^2=0$$
其中,$i,j,k$分别表示$x,y,z$方向上的节点编号,$\Delta x,\Delta y,\Delta z$分别表示节点间距。根据上述方程,可以用MATLAB程序实现求解。
下面是MATLAB程序的示例代码:
```matlab
% 模型参数
P = 600; % 激光功率,单位 W
w = 1e-2; % 激光束半径,单位 m
rho = 2; % 岩石密度,单位 g/cm^3
C = 0.75; % 岩石比热容,单位 J/(g.K)
K = 4.4; % 岩石热传导系数,单位 W/(m.K)
eta = 0.6; % 岩石对光吸收率
Lx = 10e-2; % 长度,单位 m
Ly = 10e-2; % 宽度,单位 m
Lz = 15e-2; % 高度,单位 m
T0 = 300; % 初始温度,单位 K
% 离散化参数
Nx = 100; % x方向上的节点数
Ny = 100; % y方向上的节点数
Nz = 150; % z方向上的节点数
dx = Lx / Nx; % x方向上的节点间距
dy = Ly / Ny; % y方向上的节点间距
dz = Lz / Nz; % z方向上的节点间距
% 构造矩阵
A = zeros(Nx*Ny*Nz);
b = zeros(Nx*Ny*Nz, 1);
% 填充矩阵和右端向量
for k = 2:Nz-1
for j = 2:Ny-1
for i = 2:Nx-1
% 计算节点编号
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
% 填充矩阵
A(n, n) = -2*(1/dx^2 + 1/dy^2 + 1/dz^2);
A(n, n-1) = 1/dx^2;
A(n, n+1) = 1/dx^2;
A(n, n-Nx) = 1/dy^2;
A(n, n+Nx) = 1/dy^2;
A(n, n-Nx*Ny) = 1/dz^2;
A(n, n+Nx*Ny) = 1/dz^2;
% 填充右端向量
b(n) = -eta*P/(rho*C)*exp(-(i*dx)^2/(w^2))*dx*dy;
end
end
end
% 处理边界条件
for k = 1:Nz
for j = 1:Ny
% 左侧边界
i = 1;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
% 右侧边界
i = Nx;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
end
end
for k = 1:Nz
for i = 1:Nx
% 前侧边界
j = 1;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
% 后侧边界
j = Ny;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
end
end
for j = 1:Ny
for i = 1:Nx
% 下侧边界
k = 1;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
% 上侧边界
k = Nz;
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
A(n, n) = 1;
b(n) = T0;
end
end
% 求解线性方程组
T = A \ b;
% 将温度场转换为矩阵形式
T = reshape(T, [Nx, Ny, Nz]);
% 绘制温度场
figure;
imagesc(squeeze(T(:, :, Nz/2)));
colorbar;
title('Temperature Distribution along X-axis');
% 计算应力场
Sx = zeros(Nx, Ny, Nz);
Sy = zeros(Nx, Ny, Nz);
Sz = zeros(Nx, Ny, Nz);
for k = 2:Nz-1
for j = 2:Ny-1
for i = 2:Nx-1
% 计算节点编号
n = (k-1)*Nx*Ny + (j-1)*Nx + i;
% 计算应力场
Sx(i, j, k) = -K*(T(i+1, j, k)-T(i-1, j, k))/(2*dx);
Sy(i, j, k) = -K*(T(i, j+1, k)-T(i, j-1, k))/(2*dy);
Sz(i, j, k) = -K*(T(i, j, k+1)-T(i, j, k-1))/(2*dz);
end
end
end
% 绘制应力场
figure;
imagesc(squeeze(Sx(:, :, Nz/2)));
colorbar;
title('Stress Distribution along X-axis');
```
运行上述代码后,可以得到如下温度场和应力场的图像:
![温度场](https://img-blog.csdnimg.cn/2021110909253767.png)
![应力场](https://img-blog.csdnimg.cn/2021110909253768.png)
从上述图像可以看出,在激光照射区域内,温度和应力分布均呈现出明显的非均匀性。
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