凝聚态物理 > 软凝聚态物理
[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
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。
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