FEA-Net: A physics-guided data-driven model for efficient mechanical response prediction

有限元法 卷积神经网络 计算 计算机科学 人工神经网络 推论 偏微分方程 人工智能 算法 数学 工程类 结构工程 数学分析
作者
Houpu Yao,Yi Gao,Yongming Liu
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:363: 112892-112892 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.cma.2020.112892
摘要

An innovative physics-guided learning algorithm for predicting the mechanical response of materials and structures is proposed in this paper. The key concept of the proposed study is based on the fact that physics models are governed by Partial Differential Equation (PDE), and its loading/response mapping can be solved using Finite Element Analysis (FEA). Based on this, a special type of deep convolutional neural network (DCNN) is proposed that takes advantage of our prior knowledge in physics to build data-driven models whose architectures are of physics meaning. This type of network is named as FEA-Net and is used to predict the mechanical response under external loading. Thus, the identification of mechanical system parameters and the computation of its responses are treated as the learning and inference of FEA-Net, respectively. Case studies on multi-physics (e.g., coupled mechanical–thermal analysis) and multi-phase problems (e.g., composite materials with random micro-structures) are used to demonstrate and verify the theoretical and computational advantages of the proposed method.

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