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Machine learning based topology optimization of fiber orientation for variable stiffness composite structures

拓扑优化 水准点(测量) 人工神经网络 计算机科学 工程设计过程 刚度 碳纤维增强聚合物 数学优化 变量(数学) 有限元法 材料科学 复合数 结构工程 拓扑(电路) 纤维 算法 工程类 人工智能 机械工程 数学 复合材料 数学分析 地理 电气工程 大地测量学
作者
Yanan Xu,Yunkai Gao,Chi Wu,Jianguang Fang,Guangyong Sun,Grant P. Steven,Qing Li
出处
期刊:International Journal for Numerical Methods in Engineering [Wiley]
卷期号:122 (22): 6736-6755 被引量:17
标识
DOI:10.1002/nme.6809
摘要

Abstract This study proposes a machine learning (ML) based approach for optimizing fiber orientations of variable stiffness carbon fiber reinforced plastic (CFRP) structures, where neural networks are developed to estimate the objective function and analytical sensitivities with respect to design variables as a substitute for finite element analysis (FEA). To reduce the number of training samples and improve the regression accuracy, an active learning strategy is implemented by successively supplying effective samples along with the suboptimal process. After proper training of neural networks, a quasi‐global search strategy can be applied by implementing a large number of initial designs as starting points in the optimization. In this article, a mathematical example is first presented to show the superiority of the active learning strategy. Then a benchmark design example of a CFRP plate is scrutinized to compare the proposed ML‐based with the conventional FEA‐based discrete material optimization (DMO) method. Finally, topology optimization of fiber orientations is performed for design of a CFRP engine hood, in which the structural performance generated from the proposed ML‐based approach achieves 12.62% improvement compared with that obtained from the conventional single‐initial design method. This article is anticipated to demonstrate a new alternative for design of fiber‐reinforced composite structures.

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