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VASP计算材料的弹性矩阵和杨氏模量

一、从1D到3D材料的胡克定律(Hooke’s law) 1.1D材料的胡克定律

1D材料的胡克定律也就是我们所熟知的线弹性模型,即是我们初中阶段就学习过的 F = k Δ x F=k\Delta{x}

σ = C ϵ \sigma = C\epsilon

对于1D材料,其中三个关键参数分别为:

  • σ \sigma :应力,标量,SI制下的单位为 N N
  • C C :弹性常数,标量,SI制下的单位为 N N
  • ϵ \epsilon :应变,标量,表达式为 l l 0 l 0 = Δ l l 0 \frac{l-l_0}{l_0}=\frac{\Delta{l}}{l_0} https://www.zhihu.com/question/294496637
  • 2.2D材料的胡克定律

    相较于1D材料,2D材料除了增加了一个维度的正应变之外,还多出了一个切应变,如下图所示:

    相应地应力部分多出了一个切应力,用公式表示为:

    ( σ x x σ y y σ x y ) = ( C 11 C 12 C 13 C 21 C 22 C 23 C 31 C 32 C 33 ) ( ϵ x x ϵ y y ϵ x y ) \begin{pmatrix} \sigma_{xx} \\ \sigma_{yy} \\ \sigma_{xy} \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} C_{11}&C_{12}&C_{13} \\ C_{21}&C_{22}&C_{23} \\ C_{31}&C_{32}&C_{33} \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \epsilon_{xx} \\ \epsilon_{yy} \\ \epsilon_{xy} \\ \end{pmatrix}

    其中应力的表达式为:

    σ = F l \sigma = \frac{F}{l}

    对于正应力, l l 是指与力垂直方向的长度,对于切应力, l l 是指与力平行方向的长度,正应变的定义与1D的情况是一致的,而切应变指的是角度的变化,即是: ϵ x y = θ θ 0 θ 0 = Δ θ θ 0 \epsilon_{xy}=\frac{\theta-\theta_0}{\theta_0}=\frac{\Delta{\theta}}{\theta_0}

    3.3D材料的胡克定律

    类似地,3D材料的胡克定律与上面具有相似的形式,不同的是由于维度的增加导致材料的变形自由度增加,如下图所示:

    相应的表达式变为:

    ( σ x x σ y y σ z z σ x y σ x z σ y z ) = ( C 11 C 12 C 13 C 14 C 15 C 16 C 21 C 22 C 23 C 24 C 25 C 26 C 31 C 32 C 33 C 34 C 35 C 36 C 41 C 42 C 43 C 44 C 45 C 46 C 51 C 52 C 53 C 54 C 55 C 56 C 61 C 62 C 63 C 64 C 65 C 66 ) ( ϵ x x ϵ y y ϵ z z ϵ x y ϵ x z ϵ y z ) \begin{pmatrix} \sigma_{xx} \\ \sigma_{yy} \\ \sigma_{zz} \\ \sigma_{xy} \\ \sigma_{xz} \\ \sigma_{yz} \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16} \\ C_{21}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26} \\ C_{31}&C_{32}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36} \\ C_{41}&C_{42}&C_{43}&C_{44}&C_{45}&C_{46} \\ C_{51}&C_{52}&C_{53}&C_{54}&C_{55}&C_{56} \\ C_{61}&C_{62}&C_{63}&C_{64}&C_{65}&C_{66} \\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \epsilon_{xx} \\ \epsilon_{yy} \\ \epsilon_{zz} \\ \epsilon_{xy} \\ \epsilon_{xz} \\ \epsilon_{yz} \\ \end{pmatrix}

     
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