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水平集硬化可解释弹塑性模型的热力学信息神经网络的Sobolev训练。 (英语) Zbl 1506.74449号

摘要:我们介绍了一个深度学习框架,该框架旨在训练平滑的弹塑性模型,其中包含可解释的成分,例如存储的弹性能量函数、屈服面和基于深度神经网络预测的塑性流动。通过将屈服函数重铸为一个演化水平集,我们引入了一种深度学习方法来推导控制硬化/软化机制的Hamilton-Jacobi方程的解。这种机器学习硬化定律可以恢复任何经典的手工硬化规则,并发现未知或难以用数学表达式表达的新机制。利用Sobolev训练获得对所学函数导数的控制,生成的机器学习弹塑性模型具有热力学一致性、可解释性,同时显示出出色的学习能力。使用3D FFT解算器创建多晶体数据库,进行了数值实验,并分别验证了模型的每个组件的实现。我们的数值实验表明,与递归神经网络、一维卷积神经网络和多步前馈模型等黑盒深度神经网络模型相比,该方法对循环应力路径的正向预测更加稳健和准确。

MSC公司:

74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
65N30型 含偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
74立方厘米 小应变率相关塑性理论(包括粘塑性理论)
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参考文献:

[1] Pastor,M。;齐恩基维茨,O.C。;Chan,A.H.C.,《广义塑性和土壤行为建模》,国际期刊编号。分析。方法地质力学。,14, 3, 151-190 (1990) ·Zbl 0702.73052号
[2] 乌列盖·C·齐恩基维茨。;Chan,A.H.C。;Pastor,M。;Schrefler,B.A。;Shiomi,T.,计算地质力学,第613卷(1999),Citeser·Zbl 0932.74003号
[3] 王坤;孙伟庆;Du,Qiang,《利用人工智能引导实验自动学习弹塑性知识图形和模型的合作游戏》,计算机。机械。,64, 2, 467-499 (2019) ·Zbl 1464.74034号
[4] 王坤;孙伟庆;杜强(Du,Qiang),一个非合作元模型游戏,用于使用并行对抗攻击自动校准、验证和伪造第三方构成法则(2020),arXiv预印本arXiv:2004.09392
[5] Dafalias,Yannis F.,《边界表面塑性》。i: 《数学基础与低塑性》,J.Eng.Mech。,112, 9, 966-987 (1986)
[6] Kolymbas,D.I.H.D.,低塑性概述,Arch。申请。机械。,61, 3, 143-151 (1991) ·Zbl 0734.73023号
[7] 王坤;孙伟庆;西蒙·萨拉格;Na、SeonHong;Khaddour,Ghonwa,《通过X射线显微计算机断层成像(CT)图像识别微极塑性模型的材料参数:从曲线拟合练习中吸取的教训》,国际多尺度计算杂志。工程,14,4(2016)
[8] Rice,James R.,《固体的非弹性本构关系:内变量理论及其在金属塑性中的应用》,J.Mech。物理。固体,19,6,433-455(1971)·Zbl 0235.73002号
[9] Rodney Hill,《塑性数学理论》,第11卷(1998),牛津大学出版社·Zbl 0923.73001号
[10] 孙伟庆,预测砂土中扩散和局部不稳定性的统一方法,地质力学。地质工程。,8, 2, 65-75 (2013)
[11] 埃里克·C·布莱恩特。;孙伟庆,一种用于捕获岩土材料尺寸相关各向异性的微形态正则化摄像机模型,计算。方法应用。机械。工程,354,56-95(2019)·Zbl 1441.74124号
[12] 加布西,J。;加勒特,J.H。;吴西平,基于知识的神经网络材料行为建模,工程机械学报。,117, 1, 132-153 (1991)
[13] Furukawa、Tomonari;Yagawa,Genki,使用神经网络的粘塑性隐式本构建模,国际。J.数字。方法工程,43,2,195-219(1998)·Zbl 0926.74020号
[14] 圣菲省佩尔诺;Lamarque,C.-H.,《神经网络在某些本构关系建模中的应用》,神经网络。,12, 2, 371-392 (1999)
[15] 勒菲克,M。;Boso,D.P。;Schrefler,B.A.,复合材料数值建模中的人工神经网络,计算。方法应用。机械。工程,19821-261785-1804(2009)·Zbl 1227.74052号
[16] 王坤;孙伟庆,通过递归均匀化和深度学习连接的多尺度多渗透性孔塑性模型,计算。方法应用。机械。工程,334337-380(2018)·Zbl 1440.74130号
[17] 海德尔,优素福;王坤;孙伟庆,So(3)——各向异性弹塑性材料基于信息纹理的深度神经网络不变性,计算。方法应用。机械。工程,363,第112875条pp.(2020)·Zbl 1436.74012号
[18] 尼古拉斯·弗拉西斯;马然;孙伟庆,计算力学几何深度学习第一部分:各向异性超弹性,计算。方法应用。机械。工程,371(2020)·Zbl 1506.74504号
[19] 丹尼尔·维西诺(Daniele Versino);阿尔贝托·通达;Bronkhorst,Curt A.,塑性变形的数据驱动建模,计算。方法应用。机械。工程,318,981-1004(2017)·Zbl 1439.74005号
[20] Mises,R.v.,Mechanik der festen körper im plasticsh-deformblen zustand,Nachr。格式。威斯。哥廷根,数学-物理。Kl.,1913年,582-592(1913年)
[21] William Prager,《可塑性理论:近期成就综述》,Proc。仪器机械。工程,169,1,41-57(1955)
[22] K.J.William,E.P.Warnke,混凝土三轴特性的本构模型(论文iii-l),in:Proc。《承受三轴应力的混凝土结构研讨会》,1974年。
[23] 德鲁克,丹尼尔·查尔斯,《加工硬化和理想塑性的一些含义》,夸特。申请。数学。,7, 4, 411-418 (1950) ·Zbl 0035.41203号
[24] 罗纳尔多·博尔贾。;Amies,Alexander P.,粘土的多轴循环塑性模型,J.Geotech。工程,120,6,1051-1070(1994)
[25] 马赫迪·塔伊巴特;Dafalias,Yannis F.,Sanisand:简单各向异性砂土塑性模型,国际数值杂志。分析。方法地质力学。,32, 8, 915-948 (2008) ·Zbl 1273.74309号
[26] Nielsen,Kim Lau;Tvergaard、Viggo、修正的gurson模型模拟的点焊延性剪切破坏或塞焊破坏、工程分形。机械。,77, 7, 1031-1047 (2010)
[27] C.D.福斯特。;Regueiro,R.A。;福苏姆,爱洛·F。;Borja,Ronaldo I.,岩土材料三不变各向同性/运动硬化帽塑性模型的隐式数值积分,计算。方法应用。机械。工程,194,50-52,5109-5138(2005)·Zbl 1092.74052号
[28] 孙伟庆;陈秋实;Ostien,Jakob T.,《饱和湿陷性岩土材料上条形和圆形冲头荷载的水力机械响应建模》,《岩土学报》。,9, 5, 903-934 (2014)
[29] Miehe,C.等人。;北卡罗来纳州阿佩尔。;Lambrecht,M.,《对数应变空间中的各向异性附加塑性:基于标准材料增量最小化原则的模块化运动公式和实现》,计算。方法应用。机械。工程,191,47-48,5383-5425(2002),URLhttp://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0045782502004383 ·Zbl 1083.74518号
[30] Borja,Ronaldo I.,(塑性建模与计算(2013),施普林格:施普林格-柏林-海德堡,柏林,海德堡)·兹比尔1279.74003
[31] 徐凯来;Daniel Z.Huang。;Darve,Eric,使用对称正定神经网络学习本构关系(2020),arXiv预印本arXiv:2004.00265·Zbl 1437.65192号
[32] 马雷克·勒菲克(Marek Lefik);Schrefler,Bernhard A.,作为有限元代码增量非线性本构模型的人工神经网络,计算。方法应用。机械。工程,192,28-30,3265-3283(2003)·Zbl 1054.74731号
[33] 张瑞阳;刘,杨;Sun,Hao,Physics-informed multi-lstm networks for metamodeling of normal structures(2020),arXiv预印本arXiv:2002.10253
[34] Bessa,医学硕士。;博斯塔纳巴德,R。;刘泽良;胡,A。;丹尼尔·艾普利(Daniel W.Apley)。;布林森,C。;陈伟;Liu,Wing Kam,《不确定性下材料数据驱动分析框架:对抗维度诅咒》,计算。方法应用。机械。工程,320,633-667(2017)·Zbl 1439.74014号
[35] 莫扎法尔,M。;博斯塔纳巴德,R。;Chen,W。;Ehmann,K。;曹健;Bessa,M.A.,深度学习预测路径依赖性可塑性,Proc。国家。阿卡德。科学。,116, 52, 26414-26420 (2019)
[36] 张安南;Mohr,Dirk,《使用神经网络表示各向同性硬化的von mises塑性》,国际塑料杂志。,第102732页(2020年)
[37] 哈沙什,Y.M.A。;Jung,S。;Ghaboussi,J.,有限元分析中基于神经网络的材料模型的数值实现,国际。J.数字。方法工程,59,7,989-1005(2004)·Zbl 1065.74609号
[38] 王欣;秦、易;王毅;向生;Chen,Haizhou,Reltanh:基于sa-based dnns的梯度电阻消失的激活函数及其在旋转机械故障诊断中的应用,神经计算,363,88-98(2019)
[39] 马蒂亚斯·罗斯柴尔德;萨尔迪纳斯,豪尔赫·戈泰;Will,Adrián,关于乙状激活的消失梯度问题的新方法,Prog。Artif公司。智力。,9, 4, 351-360 (2020)
[40] 詹姆斯·伯格斯特拉(James Bergstra);科默,布伦特;克里斯·埃利亚史密斯;Dan Yamins;Cox,David D.,Hyperopt:用于模型选择和超参数优化的python库,计算。科学。发现。,第8、1条,第014008页(2015年)
[41] 科默,布伦特;詹姆斯·伯格斯特拉(James Bergstra);Eliasmith,Chris,Hyperopt sklearn:scikit learn的自动超参数配置,(ICML AutoML研讨会,第9卷(2014),Citeseer),50
[42] Czarnecki,Wojciech M。;西蒙·奥斯宾多(Simon Osindero);马克斯·贾德伯格(Max Jaderberg);Swirszcz,Grzegorz;Pascanu,Razvan,Sobolev神经网络训练,(神经信息处理系统进展(2017)),4278-4287
[43] Wawersik,W.R。;卡尔森,L.W。;霍尔科姆,D.J。;Williams,R.J.,真三轴岩石试验的新方法,国际岩石力学杂志。最小科学。,34、3-4、330-e1(1997)
[44] 贝扎勒·海姆森;Rudnicki,John W.,《中间主应力对断层形成和粉砂岩断层角的影响》,J.Struct。地质。,32, 11, 1701-1711 (2010)
[45] Christopher M.Bishop,《模式识别的神经网络》(1995),牛津大学出版社·Zbl 0868.68096号
[46] Lode,W.,Versucheüber den einflußder mittleren hauptspannung auf das fließen der metallie eisen,kupfer and nickel,Z.Phys.,《金属、铜和镍的金属、铜和镍的金属、镍和镍的金属和镍的合金》。,36, 11-12, 913-939 (1926)
[47] Argyris,J.H。;浮士德·G。;Szimmat,J。;Warnke,E.P。;Willam,K.J.,预应力混凝土反应堆容器有限元分析的最新发展,Nucl。工程设计。,28, 1, 42-75 (1974)
[48] 科勒,弗朗索瓦,卡拉斯(2015),https://keras.io网址
[49] 马丁·阿巴迪;Paul Barham;陈建民;陈志峰;安迪·戴维斯;杰弗里·迪恩;马蒂厄·德文;桑杰·盖马瓦特;杰弗里·欧文;Michael Isard,Tensorflow:大规模机器学习系统,(第十二届操作系统设计与实现研讨会)((2016),265-283)
[50] 道戈尔·麦克劳林(Dougal Maclaurin);大卫·杜维诺(David Duvenaud);Adams,Ryan P.,《Autograd:numpy中的轻松渐变》,(ICML 2015 AutoML Workshop,第238卷(2015)),5
[51] 赵庆云;Bart Van的Merriönboer;Gulcehre,卡格拉尔;德米特里,巴赫达瑙;布加尔斯,费蒂;霍尔格·施温克;Bengio,Yoshua,使用rnn编码器-解码器进行统计机器翻译的学习短语表示(2014),arXiv预印本arXiv:1406.1078
[52] Felix A.Gers。;施密杜贝尔(Jürgen Schmidhuber);弗雷德·康明斯(Fred Cummins),《学会遗忘:用lstm进行持续预测》(Learning to forget)(1999)
[53] Yann LeCun;Bengio,Yoshua,图像、语音和时间序列的卷积网络,Handb。脑理论神经网络。,3361, 10, 1995 (1995)
[54] 范登·奥尔德(Aaron van den Oord);迪尔曼、桑德;Zen,Heiga;凯伦·西蒙扬(Karen Simonyan);葡萄酒、Oriol;亚历克斯·格雷夫斯;Nal Kalchbrenner;高级,安德鲁;Kavukcuoglu,Koray,Wavenet:原始音频的生成模型(2016),arXiv预印本arXiv:1609.03499
[55] 罗纳尔多·博尔贾。;林朝华;Montáns,Francisco J.,Cam-clay塑性,第四部分:各向异性边界面模型与非线性超弹性和椭球加载函数的隐式积分,计算。方法应用。机械。工程,190,26-27,3293-3323(2001)·Zbl 1059.74038号
[56] 蒂莫西·多扎特(Timothy Dozat),《将nesterov动量融入亚当》(2016)
[57] de Souza Neto,爱德华多·A。;约旦佩里奇;Owen,David R.J.,《塑性计算方法:理论与应用》(2011),John Wiley&Sons
[58] 松冈、Hajime;Nakai,Teruo,tresca、mises、mohr-coulonb和matsuoka-Nakai破坏标准之间的关系,发现的土壤。,25, 4, 123-128 (1985)
[59] Abbo,A.J。;Sloan,S.W.,摩尔库仑屈服准则的光滑双曲线近似,计算。结构。,54, 3, 427-441 (1995) ·Zbl 0877.73015号
[60] 朱利安·科希曼;伍尔芬霍夫,斯蒂芬;斯蒂芬妮·瑞斯;Mianroodi,Jaber Rezaei;Svendsen,Bob,基于双尺度fe-fft和相场的大块微观结构演化和宏观材料行为的计算建模,计算。方法应用。机械。工程,305,89-110(2016)·兹比尔1425.74477
[61] 朱利安·科希曼;丽莎·埃勒(Lisa Ehle);伍尔芬霍夫,斯蒂芬;约阿希姆·迈耶;鲍勃·斯文森(Bob Svendsen);Reese,Stefanie,基于fe-fft的高效多尺度非线性异质微观结构宏观变形过程建模与模拟,(异质结构多尺度建模(2018),Springer),129-146·兹比尔1446.74103
[62] Saint Venant、BarréD.E.、Memoire sur l’E tablissement des equations differentielles des movements interiours operates dans les corps utilles au dela des limites ou le elasticite pourtrait les ramener a leur premier eta、C.R.Acad.巴伦特·D·E·圣维南,《关于方程差异的备忘录》,《。科学。,巴黎,70473-480(1870)
[63] 罗斯科,K_H。;Burland,J.B.,关于湿粘土的广义应力应变行为(1968年)·兹比尔0233.73047
[64] Houlsby,G.T.,粘土弹塑性模型中可变剪切模量的使用,计算。岩土工程。,1, 1, 3-13 (1985)
[65] 巴赫曼,F。;拉尔夫·希尔舍尔(Ralf Hielscher);Schaeben,Helmut,使用MTEX进行纹理分析-免费开源软件工具箱(2010)
[66] 马然;Sun,WaiChing,用于强各向异性脆性材料和多晶体的高阶和多相场断裂模型的基于Fft的解算器,计算。方法应用。机械。工程(2019),暂定·Zbl 1439.74364号
[67] 马然;孙伟庆,结晶岩的计算热力学。第二部分:强各向异性多晶体中的化学损伤-塑性和愈合,计算。方法应用。机械。工程师,369,第113184条,第(2020)页
[68] 罗纳尔多·博尔贾。;雷恩,乔恩·R。,弹塑性晶体的离散微观力学,国际。J.数字。方法工程,36,22,3815-3840(1993)·Zbl 0812.73055号
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