A physics-informed neural network technique based on a modified loss function for computational 2D and 3D solid mechanics

功能(生物学) 人工神经网络 移动最小二乘法 固体力学 计算力学 计算机科学 应用数学 算法 数学 物理 有限元法 工程类 人工智能 结构工程 进化生物学 生物 热力学
作者
Jinshuai Bai,Timon Rabczuk,Ashish Gupta,Laith Alzubaidi,Yuantong Gu
出处
期刊:Computational Mechanics [Springer Science+Business Media]
卷期号:71 (3): 543-562 被引量:141
标识
DOI:10.1007/s00466-022-02252-0
摘要

Despite its rapid development, Physics-Informed Neural Network (PINN)-based computational solid mechanics is still in its infancy. In PINN, the loss function plays a critical role that significantly influences the performance of the predictions. In this paper, by using the Least Squares Weighted Residual (LSWR) method, we proposed a modified loss function, namely the LSWR loss function, which is tailored to a dimensionless form with only one manually determined parameter. Based on the LSWR loss function, an advanced PINN technique is developed for computational 2D and 3D solid mechanics. The performance of the proposed PINN technique with the LSWR loss function is tested through 2D and 3D (geometrically nonlinear) problems. Thoroughly studies and comparisons are conducted between the two existing loss functions, the energy-based loss function and the collocation loss function, and the proposed LSWR loss function. Through numerical experiments, we show that the PINN based on the LSWR loss function is effective, robust, and accurate for predicting both the displacement and stress fields. The source codes for the numerical examples in this work are available at https://github.com/JinshuaiBai/LSWR_loss_function_PINN/ .
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