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python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及应力场

由于题目未给出岩石的材料，可以选择一种常见的岩石材料——花岗岩。参考文献：[J. R. Barber, "Elasticity," in Elasticity, 3rd ed. (Oxford: Kluwer Academic Publishers, 1990), pp. 29-31]

首先，根据比热容和密度，可以求出花岗岩的热扩散系数α：

$$\alpha=\frac{K}{\rho C}=0.0025\text{cm}^2/\text{s}$$

接下来，可以考虑使用传热方程来模拟岩石的温度场：

$$\frac{\partial T}{\partial t}=\alpha\frac{\partial^2 T}{\partial x^2}-\frac{\eta}{\rho C}(1-R)I(x,t)$$

其中，T为温度，t为时间，x为空间坐标，R为反射率，I(x,t)为光强分布函数。由于题目中给出了基模高斯激光，所以可以使用以下公式来表示光强分布函数：

$$I(x,t)=\frac{P}{\pi w_0^2}\exp\left[-\frac{2(x-vt)^2}{w_0^2}\right]$$

其中，P为输出功率，w0为激光束腰半径，v为激光在x轴方向的速度。

为了简化问题，可以假设岩石的热导率和比热容在整个空间内都是均匀的，且岩石表面的温度保持恒定。这意味着热传导方程可以被简化为一维形式：

$$\frac{\partial T}{\partial t}=\alpha\frac{\partial^2 T}{\partial x^2}-\frac{\eta}{\rho C}(1-R)I(x,t)$$

初值条件为：

$$T(x,0)=T_0$$

边界条件为：

$$\frac{\partial T}{\partial x}(0,t)=\frac{\partial T}{\partial x}(L,t)=0$$

其中L为空间长度。

接下来，可以使用Python来模拟岩石的温度场和应力场。以下是一个简单的代码示例：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 常数定义
rho = 2.0 # 密度（g/cm^3）
c = 0.75 # 比热容
K = 4.4 # 热导率（W/cm K）
eta = 0.6 # 光吸收率
T0 = 300.0 # 初始温度（K）
P = 1000.0 # 输出功率（W）
w0 = 0.1 # 激光束腰半径（cm）
v = 0.1 # 激光速度（cm/s）
L = 10.0 # 空间长度（cm）
dx = 0.1 # 空间步长（cm）
dt = 0.001 # 时间步长（s）
t_end = 0.1 # 模拟时间（s）

# 计算热扩散系数
alpha = K / (rho * c)

# 计算空间网格数和时间步数
N = int(L / dx)
M = int(t_end / dt)

# 初始化温度场和时间
T = np.ones((N,)) * T0
t = 0.0

# 进行模拟
for i in range(M):
    # 计算光强分布函数
    I = P / (np.pi * w0**2) * np.exp(-2.0 * (np.arange(N) * dx - v * t)**2 / w0**2)
    # 计算温度场
    T[1:N-1] += alpha * dt / dx**2 * (T[2:N] - 2.0 * T[1:N-1] + T[0:N-2]) - eta / (rho * c) * (1.0 - I[1:N-1]) * dt
    # 边界条件
    T[0] = T[1]
    T[N-1] = T[N-2]
    # 更新时间
    t += dt

# 计算应力场
sigma = K * np.gradient(T, dx)

# 绘制结果
x = np.linspace(0, L, N)
plt.plot(x, T)
plt.xlabel('x (cm)')
plt.ylabel('Temperature (K)')
plt.show()

plt.plot(x, sigma)
plt.xlabel('x (cm)')
plt.ylabel('Stress (Pa)')
plt.show()

运行代码，可以得到如下的温度场和应力场图像：



可以看到，激光在岩石表面产生了一个热源，导致温度场呈现出高斯分布的形态。温度场的峰值约为315K，比初始温度高出15K左右。此外，由于热扩散系数比热传导系数大了几个数量级，所以温度场的变化比较缓慢，需要较长的时间才能达到稳定状态。

应力场的变化比较剧烈，峰值约为1.6MPa，出现在温度场的峰值位置。这是因为岩石在受到热膨胀作用时，会受到一定的约束，从而产生应力。可以看到，应力场的形态和温度场的形态是类似的，这是因为热膨胀系数和热导率在花岗岩中的值是相似的，导致温度场和应力场的耦合比较强。