The analysis of complex fibrous systems or materials on the micro- and nanoscale, which have a high practical relevance for many technical or biological systems, requires accurate analytical descriptions of the adhesive and repulsive forces acting on the fiber surfaces. While such analytical expressions are generally needed both for theoretical studies and for computer-based simulations, the latter motivates us here to derive disk-cylinder interaction potential laws that are valid for arbitrary mutual orientations in the decisive regime of small surface separations. The chosen type of fundamental point-pair interaction follows the simple Lennard-Jones model with inverse power laws for both the adhesive van der Waals part and the steric, repulsive part. We present three different solutions, ranging from highest accuracy to the best trade-off between simplicity of the expression and sufficient accuracy for our intended use. The validity of simplifying approximations and the accuracy of the derived potential laws is thoroughly analyzed, using both numerical and analytical reference solutions for specific interaction cases. Most importantly, the correct asymptotic scaling behavior in the decisive regime of small separations is achieved, and also the theoretically predicted $(1\!/\!\sin\!\alpha)$-angle dependence (for non-parallel cylinders) is obtained by the proposed analytical solutions. As we show in the outlook to our current research, the derived analytical disk-cylinder interaction potential laws may be used to formulate highly efficient computational models for the interaction of arbitrarily curved fibers, such that the disk represents the cross-section of the first and the cylinder a local approximation to the shape of the second fiber.


翻译:微和纳米级的复杂纤维系统或材料对许多技术或生物系统具有高度实际相关性,对这些系统或材料的分析要求准确分析描述纤维表面的粘合和令人厌恶的力量。虽然这种分析表达方式一般对于理论研究和计算机模拟来说都是必要的,但后者激励我们在这里得出磁盘-气瓶互动潜在法律,在小型表面分离的决定性制度下,这些法律对于任意的相互取向是有效的。所选择的基本点对口互动类型遵循简单的伦纳德-琼斯模型,该模型具有反向功率法,对于粘合的范德瓦尔部分和鼻尖锐、令人厌恶的部分来说都是如此。我们提出了三种不同的解决方案,从最精确的理论表达方式到最精确的表达方式和我们预期使用的足够精确的模拟,对简化的近似和衍生的潜在法律的正确性进行了透彻分析,对具体互动案例采用的数字和分析参考解决方案。最重要的是,在小分离的决定性制度下,实现了交叉曲线的反向量分析模式的正确度缩缩度行为,对于当前分析前景来说,从理论上对美元-直径/直径分析显示我们目前的分析前景。

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