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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:2501.06958v1 (cond-mat)
[提交于 2025年1月12日 (此版本) , 最新版本 2025年6月20日 (v4) ]

标题: 理解随机纤维网络的结构-功能关系

标题: Towards understanding structure-function relationships in random fiber networks

Authors:Peerasait Prachaseree, Emma Lejeune
摘要: 随机纤维网络构成了众多生物组织和工程材料的结构基础,从人体内的活体组织到日常材料如织物和纸张。 从力学的角度来看,理解随机纤维网络的结构-功能关系尤其有趣,因为当外部力施加到这些网络上时,只有少量纤维会实际承载大部分负荷。 具体而言,这些承重纤维通过网络传播形成载荷路径,也称为力链。 然而,纤维网络几何结构、力链与随机纤维网络整体机械行为之间的关系仍然知之甚少。 为此,我们使用几何精确梁单元构建了随机纤维网络的有限元模型,并利用该模型探索随机纤维网络的力学行为。 我们的重点有两个方面。 首先,我们研究单根纤维链和随机纤维网络的力学行为。 其次,我们提出并验证了一种可解释的分析方法,仅从结构信息预测纤维网络的力学特性。 主要发现包括对单根纤维链和纤维网络的关键应变硬化转变点的洞察,以及将力链与将纤维网络视为空间图结构时产生的距离加权图最短路径之间的联系。 这项工作标志着朝着绘制经历大变形的随机纤维网络结构-功能关系迈出了重要一步。 此外,由于我们的代码以开源许可证分发,我们希望未来的研究人员可以直接基于我们的工作来解决超出本文范围的相关问题。
摘要: Random fiber networks form the structural foundation of numerous biological tissues and engineered materials, from living tissue in the human body to everyday materials like fabric and paper. From a mechanics perspective, understanding the structure-function relationships of random fiber networks is particularly interesting because when external force is applied to these networks, only a small subset of fibers will actually carry the majority of the load. Specifically, these load-bearing fibers propagate through the network to form load paths, also called force chains. However, the relationship between fiber network geometric structure, force chains, and the overall mechanical behavior of random fiber network structures remains poorly understood. To this end, we implement a finite element model of random fiber networks with geometrically exact beam elements, and use this model to explore random fiber network mechanical behavior. Our focus is twofold. First, we explore the mechanical behavior of single fiber chains and random fiber networks. Second, we propose and validate an interpretable analytical approach to predicting fiber network mechanics from structural information alone. Key findings include insight into the critical strain-stiffening transition point for single fiber chains and fiber networks, and a connection between force chains and the distance-weighted graph shortest paths that arise by treating fiber networks as spatial graph structures. This work marks an important step towards mapping the structure-function relationships of random fiber networks undergoing large deformations. Additionally, with our code distributed under open-source licenses, we hope that future researchers can directly build on our work to address related problems beyond the scope defined here.
评论: 37页,19幅图
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 无序系统与神经网络 (cond-mat.dis-nn)
MSC 类: 74A40, 74K10, 74L15, 74S50
ACM 类: J.2; I.6.3; I.6.5
引用方式: arXiv:2501.06958 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:2501.06958v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.06958
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Peerasait Prachaseree [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 1 月 12 日 22:34:58 UTC (11,495 KB)
[v2] 星期六, 2025 年 4 月 5 日 21:00:18 UTC (10,094 KB)
[v3] 星期日, 2025 年 6 月 1 日 00:54:14 UTC (10,078 KB)
[v4] 星期五, 2025 年 6 月 20 日 19:10:00 UTC (10,078 KB)
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