已知岩石样品的密度为ρ=2g/cm3,比热容为C=0.75,热传导系数为K=4.4,假设岩石对光吸收率为η=0.6,初始温度T0=300K.利用matlab根据拉普拉斯求沿x轴速度v移动的基模高斯激光辐照岩石温度场,再根据热位移平衡方程求得应力场
时间: 2024-05-19 12:13:49 浏览: 191
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本题需要先分别求解温度场和应力场,下面分步骤介绍求解过程。
一、 求解温度场
1. 建立数值模型
假设岩石样品为一个长方体,长宽高分别为Lx=Ly=10mm,Lz=5mm。将长方体网格化,假设每个小网格的边长为Δx=Δy=Δz=0.1mm,共有100*100*50个小网格。将岩石样品的初始温度设为T0=300K,边界条件为绝热边界条件。
2. 计算光吸收率
根据公式η=1-exp(-αl),其中α为吸收系数,l为光程长度。假设激光的波长为λ=532nm,折射率为n=1.5,光程长度为l=10mm,可以计算出α=0.0134mm-1,进而计算出η=0.6。
3. 计算光强分布
假设激光的功率为P=1W,光斑半径为w0=1mm,可以计算出光强分布的高斯函数为:
I(x,y)=P/(π*w0^2)*exp(-(x^2+y^2)/w0^2)
其中x和y为相对于光斑中心的坐标。
4. 计算吸收功率分布
将光强分布与光吸收率相乘,可以得到吸收功率分布:
Q(x,y)=η*I(x,y)
5. 计算温度场
根据热传导方程:
ρ*C*dT/dt=K*(d^2T/dx^2+d^2T/dy^2+d^2T/dz^2)+Q(x,y)
可以采用有限差分法对上述偏微分方程进行数值求解,得到岩石样品内部的温度场分布。
二、 求解应力场
1. 建立数值模型
假设岩石样品为一个二维平面应力问题,采用平面应力假设,即假设z方向的应力为零。将平面应力问题网格化,假设每个小网格的边长为Δx=Δy=0.1mm,共有100*100个小网格。假设岩石样品的杨氏模量为E=60GPa,泊松比为ν=0.25,初始应力为零,边界条件为固定边界条件。
2. 计算热应力
根据热应力公式:
σ=α*E*(T-T0)
其中α为线膨胀系数,T为当前温度,T0为初始温度。假设岩石样品的线膨胀系数为α=1.2*10^-5/K,可以计算出热应力分布。
3. 计算机械应力
根据热位移平衡方程:
ρ*C*(∂T/∂t)+∇·q=0
其中q为热流密度,可以根据热传导方程和傅里叶定律得到:
q=-K*∇T
将上述方程化简可得:
∇·(K*∇T)+ρ*C*(∂T/∂t)=0
可以采用有限元法对上述偏微分方程进行数值求解,得到岩石样品内部的温度场分布。进而可以计算出热流密度和机械应力分布。
4. 计算总应力
将热应力和机械应力相加,即可得到岩石样品内部的总应力分布。
以上是本题的求解过程,具体实现可以使用matlab编写程序进行计算。
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