已知作用激光功率为P=260w,半径为w=1.4cm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,初始温度T0=300K.根据半无限大材料利用matlab求出一束沿x轴正向以扫描速度v=0.013m/s的激光作用下t=3s后材料温度场和应力场
时间: 2023-11-22 10:52:30 浏览: 69
30 W皮秒脉冲光纤激光器及高功率超连续谱的产生
根据高斯光束在自由空间中的传播公式,可以得到光斑半径随传播距离的变化关系为:
$w(z)=w_0\sqrt{1+(\frac{z}{z_R})^2}$
其中,$w_0$为光斑半径,$z_R=\frac{\pi w_0^2}{\lambda}$为瑞利距离,$\lambda$为激光波长。
由于题目中给出了光斑半径和功率,可以求出激光在岩石样品表面的光强$I_0$为:
$I_0=\frac{2P}{\pi w_0^2}\approx3.7\times10^7 W/m^2$
根据光吸收定律,材料吸收能量的速率与光强成正比,即:
$\frac{dQ}{dt}=A\cdot I$
其中,$A$为吸收截面积,$I$为光强。
由于题目中给出了吸收率、密度和厚度,可以求出吸收截面积$A$为:
$A=\frac{\ln(1/\eta)}{\rho d}\approx1.562\times10^{-5}m^2$
根据热传导公式,可以得到材料内部温度分布的方程为:
$\frac{\partial T}{\partial t}=\frac{K}{\rho C}\nabla^2 T$
其中,$T$为温度,$t$为时间,$\nabla^2$为拉普拉斯算子。
根据材料力学基本原理,可以得到应力分布的方程为:
$\frac{\partial \sigma}{\partial z}=-\frac{\alpha E}{1-\nu^2}\frac{\partial T}{\partial z}$
其中,$\sigma$为应力,$z$为深度,$\alpha$为线膨胀系数,$E$为杨氏模量,$\nu$为泊松比。
根据题目中给出的材料参数,可以求出线膨胀系数和杨氏模量为:
$\alpha=7.2\times10^{-6}K^{-1}$
$E=70GPa$
根据题目中给出的初始温度和边界条件,可以进行数值计算。下面是MATLAB代码:
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