水凝胶近年来以其优越的生物相容性、高含水率、高柔韧性等特点吸引了研究者的广泛关注,被证实可应用于生物医学、组织工程、药物递送等前沿领域,是一种很具潜能的软材料。而水凝胶的微观纤维网络结构决定了它的宏观力学行为,具有重要的研究价值。本文以可用于软骨替换的聚乙烯醇(PVA)水凝胶作为研究对象,研究了它的单轴准静态拉伸行为,并以此为基础,提出了一种纤维随机分布的微观网络模型。经过测试,该模型可以与不同纤维含量的PVA水凝胶的拉伸实验曲线相吻合,证实了该模型的可靠性。更进一步,我们通过对微观纤维网络模型的分析,揭示了水凝胶材料一系列宏观力学行为的微观机理。本文的主要内容如下:(1)针对目前国内外含水软材料单轴拉伸实验的缺陷,提出了一种免夹持水凝胶单轴拉伸实验技术。使用有限元方法验证了该方案的合理性。使用该方法测量出不同纤维含量的PVA水凝胶的单轴拉伸应力-应变曲线和拉伸强度。使用Wall和Flory提出的聚合物弹性体本构方程对PVA水凝胶的拉伸行为进行了初步研究。(2)提出了一种纤维随机分布的微观网络模型,通过仪器观测、计算分析等手段确定了模型的各项微观参数。通过有限元方法进行计算,证实该模型能够在各项微观参数保持不变的情况下与不同纤维含量的PVA水凝胶的拉伸实验结果相吻合。进而得出了难以通过实验测得的重要参数——PVA水凝胶的交联点密度随纤维含量的变化趋势。(3)通过水凝胶的纤维网络模型进行了一系列微观机理研究,证实了水凝胶纤维断裂产生的应力重分布造成的连锁效应是水凝胶拉伸时发生瞬间断裂的原因,分析了取向度(Alignment)的改变对水凝胶宏观拉伸模量的影响,研究了 PVA水凝胶的孔径尺寸在拉伸过程中的变化。