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使用高斯过程对机织物进行多尺度建模和材料设计。 (英语) Zbl 1525.74132号

总结:提出了一种使用高斯过程进行薄膜多尺度模拟和材料设计的方法,以帮助机织物的力学分析和设计。现有的大多数并行多尺度仿真方案在机织物的组合力学分析和设计中的能力有限。此外,这些现有方案固有的较高计算成本要求使用先进的数据驱动统计方法开发高效的分析技术。本文的贡献在于将基于高斯过程的数据驱动概念应用于参数环境下的机织物多尺度分析和设计。所提出的数据驱动非线性多尺度建模技术通过高斯过程回归(GPR)统计学习技术有效地整合了两个尺度。在微尺度下,通过几何和材料属性参数化的代表性体积元(RVE)使用有限变形等几何杆进行建模,并使用周期边界条件对其变形进行均匀化。针对机织物RVE的各种应变状态、几何和材料特性,训练离线GPR统计模型。在宏观尺度上,编织纺织品被建模为非线性正交各向异性膜,通过训练的GPR模型预测其应力和材料响应。这种离线训练的GPR模型可作为给定分析和设计参数组合的本构模型预测器。事实证明,统计学习在多尺度建模和材料设计中的有效结合不仅可以实现有效的力学分析,还可以为机织物的材料设计提供框架。

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参考文献:

[1] 帕森斯,EM;Weerasooriya,T。;萨瓦,S。;Socrate,S.,《机织物的影响:实验和基于细观结构的连续水平模拟》,J.Mech。物理学。固体,58,11,1995-2021(2010)·Zbl 1225.74030号
[2] 尼拉坎坦,G。;基夫,M。;波盖蒂,TA;阿德金森,R。;Gillespie,JW,《使用多尺度建模技术对机织物冲击进行有限元分析》,国际固体结构杂志。,47, 17, 2300-2315 (2010) ·兹布尔1194.74455
[3] Ha-Minh,C。;Imad,A。;Kanit,T。;Boussu,F.,纺织品弹道冲击的数值分析,国际力学杂志。科学。,69, 32-39 (2013)
[4] Wang,Y。;刘,X。;朱,C。;帕森斯,A。;刘,J。;黄,S。;艾哈迈德一世。;陆克文,C。;Sharmin,N.,《用于生物医学应用的新型磷酸盐玻璃纤维纱线、纺织品和纺织复合材料的生产和表征》,J.Mech。行为。生物识别。材料。,99, 47-55 (2019)
[5] Martens,Y。;Ehrmann,A.,《3d打印聚合物和纺织织物复合材料》,IOP Conf.Ser。马特。科学。工程,225012292(2017)
[6] Chakraborty,S.、Manik,C.B.:纺织和时装行业中的熔融沉积建模3D打印技术:材料与创新。(2019)
[7] Kim,S。;Seong,H。;她,Y。;Chun,J.,《使用FDM型3D打印机开发和改进时尚产品的研究》,fashion Text。,6, 1, 1-24 (2019)
[8] Schmelzeisen,D.,Koch,H.,Pastore,C.,Gries,T.:4D纺织品:可以通过3D打印随时间改变结构形式的混合纺织品结构。收录于:《窄幅智能纺织品》,第189-201页。施普林格(2017)
[9] Simo,J.C.:有限应变梁公式。三维动力学问题。第一部分计算。方法应用。机械。工程49(1),55-70(1985)·Zbl 0583.73037号
[10] Simo,J.C.,Vu-Quoc,L.:三维有限应变杆模型。第二部分:计算方面。计算。方法应用。机械。工程58(1),79-116(1986)·Zbl 0608.73070号
[11] Simo,JC;Vu-Quoc,L.,《关于经历大运动的杆的空间动力学——几何精确方法》,《计算》。方法应用。机械。工程师,66,2,125-161(1988)·Zbl 0618.73100号
[12] Cardona,A.,Geradin,M.:具有有限旋转的梁有限元非线性理论。国际期刊数字。方法。工程26(11),(1988)·Zbl 0662.73049号
[13] Kondo,K。;田中,K。;Atluri,SN,有限变形三维梁切线刚度的显式表达式及其在空间框架分析中的应用,计算。结构。,24, 2, 253-271 (1986) ·Zbl 0594.73045号
[14] Jelenić,G。;Crisfield,MA,《三维梁非线性动力学中旋转变量的插值》,国际期刊Numer。方法。工程,43,7,1193-1222(1998)·兹比尔0939.74068
[15] 梅耶,C。;波普,A。;WA Wall,几何精确弯曲Kirchhoff杆的三维大变形客观有限元公式,计算。方法应用。机械。工程,278,445-478(2014)·兹比尔1423.74501
[16] Meier,C.,Popp,A.,Wall,W.A.:细长梁的几何精确有限元公式:Kirchhoff-Love理论与Simo-Reissner理论。《工程计算方法档案》,第1-81页,(2017年)
[17] 梅耶,C。;波普,A。;WA Wall,任意方向薄梁线-线接触相互作用的有限元方法,计算。方法应用。机械。工程师,308377-413(2016)·Zbl 1439.74228号
[18] AM鲍尔;Breitenberger,M。;菲利普,B。;Wüchner,R。;Bletzinger,KU,非线性等几何空间伯努利梁,计算。方法应用。机械。工程,303101-127(2016)·Zbl 1425.74450号
[19] Herath,S.,Yin,G.:关于有限变形等几何梁的几何精确公式。计算。机械。,第1-13页(2021年)·Zbl 1467.74055号
[20] Weeger,O.,Yeung,S.K.,Dunn,M.L.:Cosserat杆和杆结构的等几何配置方法。计算。方法应用。机械。工程316、100-122(2017)。等几何分析专题:进展与挑战·Zbl 1439.74161号
[21] Lestringant公司,C。;巴兹勒,A。;Dennis,MK,模拟非线性、弹性和非弹性梁的离散、几何精确方法,计算。方法应用。机械。工程,361112741(2020)·Zbl 1442.74103号
[22] Kouznetsova,V.G.,Geers,M.G.D.,Brekelmans,W.A.M.:非线性非均匀固体的计算均化,第1-42页·Zbl 1296.74088号
[23] Geers,M.G.D.,Kouznetsova,V.G.,Matouš,K.,Yvonnet,J.:均质方法和多尺度建模:非线性问题。收录:计算力学百科全书,第2版。英国奇切斯特John Wiley&Sons有限公司(2017年)
[24] Bris,C.L.,Lelièvre,T.:《复杂流体的多尺度建模:数学启动》,第49-137页。柏林施普林格出版社(2009)·Zbl 1157.76002号
[25] Hu,G.,Li,D.:多尺度建模和数值模拟,第1402-1407页。Springer US,马萨诸塞州波士顿(2008)
[26] 拉莫斯,希腊;Rossi,R.,一种新的多尺度计算方法,用于模拟非均匀固体中的热化学耦合问题:应用于确定填充弹性体的固化状态,计算。方法应用。机械。工程,351,694-717(2019)·Zbl 1441.74078号
[27] 顾,T。;梅迪,JR;沃尔皮,F。;俄亥俄州卡斯特尔诺。;森林,S。;埃尔韦-卢安科,E。;勒库图里尔,F。;普鲁东,H。;雷诺,PO;Thilly,L.,建筑和纳米结构cu-nb复合线各向异性导电性的多尺度建模和实验比较,《材料学报》。,141, 131-141 (2017)
[28] Stepniewski,M.,Breit,M.,Hoffer,M.,Queisser,G.:神经盒:多尺度神经科学中的计算数学。科学计算与可视化(2019)
[29] Geers,M.G.D.,Kouznetsova,V.G.,Brekelmans,W.A.M.:计算均匀化。收录:计算力学百科全书,第2版。施普林格,维也纳(2010)
[30] Geers,MGD;库兹涅佐娃,VG;布雷克尔曼斯,WAM,《多尺度计算均匀化:趋势和挑战》,J.Compute。申请。数学。,234, 7, 2175-2182 (2010) ·兹比尔1402.74107
[31] 哈欣,Z。;Shtrikman,S.,《多相材料弹性行为理论的变分方法》,J.Mech。物理学。固体,11,2,127-140(1963)·Zbl 0108.36902号
[32] 填充,S。;奥利克·J。;裸露,Z。;Steinmann,P.,《具有多重微观控制的周期性非均匀弹性体的均匀化》,数学。机械。固体,19,8,1011-1021(2014)·Zbl 1455.74078号
[33] Ridderbos,K.,《统计力学的粗粒度方法:我们的无知有多幸福?》?,史钉。历史菲洛斯。科学。B部分:历史哲学研究。国防部。物理。,33, 1, 65-77 (2002) ·Zbl 1222.82029号
[34] Babuska,I.:《工程中的均匀化方法》,摘自:Glowinski,R.,Lions,J.L.(编辑)《应用科学与工程中的计算方法》,第137-153页。柏林施普林格(1976)·Zbl 0376.73070号
[35] Voigt,W.:晶体弹性的理论研究。阿布。格式。威斯。戈廷根34(1887)
[36] Voigt,W.:晶体物理教科书(Teubner Leipzig and Berlin)980 s.1966年再版Spring Fachmedien Wiesbaden GmbH(1928)
[37] Reuss,A.:因租用单晶而计算混合晶体的屈服点。数学。《物理学》第9卷第49-58页(1929年)·JFM 55.1110.02标准
[38] Taylor,GI,金属中的塑性应变,《金属学会杂志》,62307-324(1938)
[39] Zaoui,A。;Masson,R.,《基于微观力学的塑料多晶体建模:仿射公式》,Mater。科学。工程师A,285,1418-424(2000)
[40] Herath,S.,Haputhanri,U.:使用高斯过程的非线性多尺度建模和设计。J.应用。计算。机械。,1-10 (2021)
[41] Herath,S.,《使用统计学习的非线性材料建模和设计》,Proc。SSESL年度。会议,2020年,166-73(2020年)
[42] 马萨诸塞州贝萨;博斯塔纳巴德,R。;刘,Z。;胡,A。;德国之声阿普利;布林森,C。;Chen,W。;Liu,WK,《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。工程师,320,633-667(2017)·Zbl 1439.74014号
[43] Herath,S.、Jayasekara,M.、Mallikarachchi,C.:机织碳纤维复合材料均匀化响应的参数研究。收录于:2020年莫拉图瓦工程研究会议(MERCon),第36-41页。IEEE(2020)
[44] Weeger,O.,Sakhaei,A.H.,Tan,Y.Y.,Quek,Y.H.,Lee,T.L.,Yeung,S.K.,Kaijima,S.,Dunn,M.L.:三维针织纺织品的非线性多尺度建模、模拟和验证。申请。作曲。材料。,第1-14页(2018年)
[45] 纳德勒,B。;帕帕佐普洛斯,P。;Steigmann,DJ,织物材料的多尺度本构建模和数值模拟,国际固体结构杂志。,43, 2, 206-221 (2006) ·Zbl 1119.74535号
[46] 勒,BA;Yvonnet,J。;He,Q-C,使用神经网络的非线性弹性材料的计算均匀化,国际J数值。方法。工程,104,12,1061-1084(2015)·兹比尔1352.74266
[47] 伊巴内兹(Ibanez,R.)。;Abisset-Chavanne,E。;Aguado,合资公司;Gonzalez,D。;Cueto,E.,数据驱动计算弹性和非弹性的流形学习方法,Arch。计算。方法工程,25,1,47-57(2016)·Zbl 1390.74195号
[48] Ibanez,R.、Borzacchielo,D.、Aguado,J.V.、Abisset-Chavanne,E.、Cueto,E.、Ladevze,P.、Chinesta,F:数据驱动非线性弹性:本构流形构造和问题离散化。计算。机械。60, 813-826 (2017) ·Zbl 1387.74015号
[49] 王凯。;Sun,W.,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
[50] Do,H。;Tan,YY;拉莫斯,N。;Kiendl,J。;Weeger,O.,功能梯度针织纺织品设计和制造的非线性等几何多尺度模拟,Compos。B工程,202108416(2020)
[51] Crisfield,M.A.:固体和结构的非线性有限元分析。数字v.2英寸:固体和结构的非线性有限元分析。威利(1997)·Zbl 0890.73001号
[52] Herath,S.:机织物和针织物膜的多尺度建模。博士论文(2020年)
[53] Ciarlet,PG,微分几何导论及其在弹性力学中的应用(2006),荷兰:施普林格,荷兰
[54] Cirak,F。;奥尔蒂斯,M。;Schroder,P.,《细分曲面:薄壳有限元分析的新范式》,《国际数值杂志》。方法。工程师,47、12、2039-272(2000)·兹伯利0983.74063
[55] 龙,Q。;伯内曼,PB;Cirak,F.,Shear-flexible细分壳,国际期刊Numer。方法。工程师,90,13,1549-1577(2012)·Zbl 1246.74060号
[56] O.威格。;Narayanan,B。;德洛伦齐斯,L。;Kiendl,J。;Dunn,ML,Cosserat杆无摩擦接触的等几何配置方法,计算。方法应用。机械。工程,321361-382(2017)·Zbl 1439.74232号
[57] Wriggers,P。;Zavarise,G.,关于承受大挠度的三维梁之间的接触,Commun。数字。方法工程,13,429-438(1997)·Zbl 0878.73063号
[58] 沃伦,WE,机织聚合物织物的弹性性能,Polym。工程科学。,30, 20, 1309-1313 (1990)
[59] Dinh,TD;O.威格。;Kaijima,S。;Yaung,SK,《拉伸和剪切载荷下针织物力学性能的预测:使用代表性单元的细观分析及其验证》,Compos。B工程,148,81-92(2018)
[60] Herath,S.、Xiao,X.、Cirak,F.:针织膜的计算建模和数据驱动均匀化。国际期刊编号方法工程
[61] 拉斯穆森,CE;Williams,CKI,《机器学习的高斯过程》(2006),剑桥:麻省理工学院出版社,剑桥·Zbl 1177.68165号
[62] Bishop,CM,模式识别和机器学习(2006),柏林:施普林格出版社,柏林·Zbl 1107.68072号
[63] Herath,S。;Haputhanri,U.,《使用神经网络的优化设计和失效预测》,Proc。青年会员技术大会,2020,1,74-82(2020)
[64] Herath,S.、Haputhanri,U.、Mallikarachchi,C.:在深度学习环境中使用拓扑优化进行桁架的初始设计。2020年从创新到影响(FITI)1,1-6(2020)
[65] Joe,S。;Kuo,FY,算法659的备注:实现sobols准随机序列生成器,ACM-Trans。数学。软质。,29, 1, 49-57 (2003) ·Zbl 1070.65501号
[66] Petersen,K.B.,Pedersen,M.S.:《矩阵食谱》。丹麦技术大学,2008年10月。版本20081110
[67] Holzapfel,GA,《非线性固体力学:工程的连续方法》(2000),纽约:威利出版社,纽约·兹伯利0980.74001
[68] 哈维尔,B。;Wood,RD,《有限元分析的非线性连续力学》(1997),剑桥:剑桥大学出版社,剑桥·Zbl 0891.73001号
[69] 佩德雷戈萨,F。;瓦罗佐,G。;Gramfort,A。;米歇尔,V。;蒂里昂,B。;O.格栅。;布隆德尔,M。;普雷滕霍弗,P。;韦斯,R。;Dubourg,V.公司。;范德普拉斯,J。;帕索斯,A。;库纳波,D。;布鲁彻,M。;佩罗,M。;Duchesnay,E.,Scikit-learn:Python中的机器学习,J.Mach。学习。第12号决议,2825-2830(2011年)·Zbl 1280.68189号
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