剛體與連續體力學

彈性張量(elasticity tensor)

彈性張量(elasticity tensor)是完整的規則手冊,告訴材料在給定應變下要產生多少應力——它是彈簧常數在三維、完整方向性上的推廣。彈簧以單一數字 k 回應伸長,但真實固體對於順紋拉扯與橫紋拉扯、剪切與壓縮,反應可以各不相同。彈性張量把這每一種方向性剛度都編碼進單一物件中。

它是一個四階張量 C_ijkl,將應變張量線性映射到應力張量:sigma_ij = C_ijkl epsilon_kl(對 k 與 l 求和)。在三維中,天真地看有 3^4 = 81 個數字,但對稱性很快就把它砍下來。因為應力與應變各自對稱,C 在其前一對與後一對指標中對稱(C_ijkl = C_jikl = C_ijlk),只剩 36 個;又因為存在儲存的彈性能函數,C 在兩對指標互換下對稱(C_ijkl = C_klij),對最一般的(三斜)晶體最多只剩 21 個獨立常數。更高的對稱性砍得更多——立方晶體有 3 個,完全各向同性材料只有 2 個。

每當材料的剛度依方向而定時,你就會遇到彈性張量:木材的紋理、複合材料的疊層、半導體晶圓的晶軸、骨骼中纖維的取向。它的逆,把應力映射回應變,稱為柔度張量(compliance tensor)。對常見的各向同性固體理想化,全部 21 個常數塌縮為兩個拉梅參數。

木材具有強烈的各向異性:沿紋理方向遠比橫向堅硬,因此它的彈性張量需要好幾個相異的常數。相對地,鋼材可以很好地被視為各向同性,因此它的整個彈性行為只用兩個數字就能捕捉。

一個至多含 21 個獨立常數(各向同性時為 2 個)的四階張量,把應力連到應變。

減至 21 個常數的前提是存在應變能函數(超彈性);進一步減至 2 個則假設各向同性。兩者都不是普遍成立——晶體、木材與纖維複合材料確實需要更多常數,把它們當成各向同性會得到錯誤的剛度。

又稱
stiffness tensorC_ijkl彈性張量勁度張量