Random fiber networks constitute the solid skeleton of many biological materials such as the cytoskeleton of cells and extracellular matrix of soft tissues. These random networks show unique mechanical properties such as nonlinear shear strain stiffening and strain softening when subjected to preextension and precompression, respectively. In the present study, we perform numerical simulations in order to characterize the influence of axial prestress on the nonlinear mechanical response of random network structures as a function of their micromechanical and geometrical properties. We build our numerical network models using the microstructure of disordered hexagonal lattices and quantify their nonlinear shear response as a function of uniaxial prestress strain. We consider three different material models for individual fibers and fully characterize their influence on the mechanical response of prestressed networks. Moreover, we investigate the influence of geometric disorder, keeping the network connectivity constant, and the randomness in the stiffness of individual fibers, keeping their mean stiffness constant. The effects of network connectivity and bending rigidity of fibers are also determined. Several important conclusions are made, including that the tensile and compressive prestress strains, respectively, increase and decrease the initial network shear stiffness, but have no effect on the maximum shear modulus. We discuss our findings in terms of microstructural properties such as the local strain energy distribution.

中文翻译：

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预应力支化纤维网络的非线性力学性能

随机纤维网络构成了许多生物材料的固体骨架，例如细胞的细胞骨架和软组织的细胞外基质。这些随机网络分别在预拉伸和预压缩时表现出独特的机械性能，例如非线性剪切应变硬化和应变软化。在本研究中，我们进行数值模拟，以表征轴向预应力对随机网络结构的非线性机械响应的影响，作为其微观力学和几何特性的函数。我们使用无序六边形晶格的微观结构构建数值网络模型，并将其非线性剪切响应量化为单轴预应力应变的函数。我们考虑了单个纤维的三种不同材料模型，并充分描述了它们对预应力网络机械响应的影响。此外，我们研究了几何无序的影响，保持网络连通性不变，以及单个纤维刚度的随机性，保持它们的平均刚度不变。还确定了网络连接性和纤维弯曲刚度的影响。得出了几个重要的结论，包括拉伸和压缩预应力应变分别增加和减少初始网络剪切刚度，但对最大剪切模量没有影响。我们根据局部应变能分布等微观结构特性来讨论我们的发现。我们研究了几何无序的影响，保持网络连通性不变，以及单个纤维刚度的随机性，保持它们的平均刚度不变。还确定了网络连接性和纤维弯曲刚度的影响。得出了几个重要的结论，包括拉伸和压缩预应力应变分别增加和减少初始网络剪切刚度，但对最大剪切模量没有影响。我们根据局部应变能分布等微观结构特性来讨论我们的发现。我们研究了几何无序的影响，保持网络连通性不变，以及单个纤维刚度的随机性，保持它们的平均刚度不变。还确定了网络连接性和纤维弯曲刚度的影响。得出了几个重要的结论，包括拉伸和压缩预应力应变分别增加和减少初始网络剪切刚度，但对最大剪切模量没有影响。我们根据局部应变能分布等微观结构特性来讨论我们的发现。还确定了网络连接性和纤维弯曲刚度的影响。得出了几个重要的结论，包括拉伸和压缩预应力应变分别增加和减少初始网络剪切刚度，但对最大剪切模量没有影响。我们根据局部应变能分布等微观结构特性来讨论我们的发现。还确定了网络连接性和纤维弯曲刚度的影响。得出了几个重要的结论，包括拉伸和压缩预应力应变分别增加和减少初始网络剪切刚度，但对最大剪切模量没有影响。我们根据局部应变能分布等微观结构特性来讨论我们的发现。