石墨烯纳米片/Al复合材料热特性与其微观组织密切相关,但尚缺系统性的从微观结构模拟到热学性能预测。本工作利用有限元软件ABAQUS建立了微观石墨烯纳米片/2009Al复合材料三维模型,分析了石墨烯纳米片分布形式、几何构型和体积分数对复合材料热膨胀系数的影响。结果表明,复合材料的热膨胀系数受石墨烯纳米片的分布形式影响较小。只有当石墨烯纳米片在基体内的分布形式为2簇时,热膨胀系数比其他分布形式小。石墨烯纳米片几何构型和体积分数对热膨胀系数影响明显。随着石墨烯纳米片体积分数的增加,复合材料热膨胀系数逐渐减小。与基体相比,当复合材料中石墨烯纳米片的体积分数为2.5%,且呈集聚分布时,热膨胀系数下降幅度最大,约为27%。通过与实验结果对比,验证了模型的正确性。