纤维分布对单向纤维复合材料横向机械性能影响的建模研究

本研究探讨了纤维空间分布对单向纤维连续纤维复合材料横向机械性能的影响。采用膨胀与随机迁移算法生成具有可控纤维排列的代表性体积单元，纤维排列从聚集到平衡配置不等。采用具有周期边界条件的有限元同质化用于估算有效弹性性能。为表征纤维的随机性并评估与实验微结构的统计等效性，采用多种描述符，包括最近邻距离、Ripley K 函数、配对分布函数和局部纤维体积分数。结果表明，在保持纤维体积分数不变时，聚集纤维分布的横向刚度显著高于平衡分布，但横向拉伸强度较低。对于玻璃/环氧树脂复合材料，纤维聚集程度导致横向刚度可达20%。单一标量描述符——平均最近邻距离——被证明能够有效表征足够随机的纤维分布：有效刚度随平均最近邻距离线性降低，而横向拉伸强度随平均最近邻距离线性升高。本研究结果凸显了微结构特征在调控复合材料性能方面的关键作用，并为纤维增强材料的预测建模提供了稳健的框架。