结构变化对薄纤维材料本构响应与应变分布的影响

薄纤维网络结构特性的随机变化在很大程度上决定了其力学性能。为评估局部结构变异性对网络局部应变及力学响应的影响，我们提出了一种结合建模、数值模拟与实验测量的多尺度方法。首先基于微观力学纤维网络模拟，建立描述介观尺度响应的连续介质模型。随后将实验测得厚度、密度、纤维取向与各向异性的空间场作为宏观有限元模型的输入。该有限元模型用于模拟各研究结构性质空间变异性所产生的影响。此外，本工作的新颖性在于纳入了生产过程中干燥条件对纤维性能的影响。所提方法通过与实测应变场及单轴响应对比得到实验验证。结果表明，密度的空间变异性对局部应变场影响最大，其次为厚度与纤维取向。同时，对于力学响应，相对于干燥约束的纤维取向角是关键影响因素，其对力学性质各向异性的贡献大于纤维 sheet 制备过程中形成的纤维各向异性贡献。