A physics-informed deep learning framework for inversion and surrogate modeling in solid mechanics

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作者
Ehsan Haghighat,Maziar Raissi,Adrian Moure,Héctor Gómez,Rubén Juanes
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier]
卷期号:379: 113741-113741 被引量:645
标识
DOI:10.1016/j.cma.2021.113741
摘要

We present the application of a class of deep learning, known as Physics Informed Neural Networks (PINN), to inversion and surrogate modeling in solid mechanics. We explain how to incorporate the momentum balance and constitutive relations into PINN, and explore in detail the application to linear elasticity, and illustrate its extension to nonlinear problems through an example that showcases von Mises elastoplasticity. While common PINN algorithms are based on training one deep neural network (DNN), we propose a multi-network model that results in more accurate representation of the field variables. To validate the model, we test the framework on synthetic data generated from analytical and numerical reference solutions. We study convergence of the PINN model, and show that Isogeometric Analysis (IGA) results in superior accuracy and convergence characteristics compared with classic low-order Finite Element Method (FEM). We also show the applicability of the framework for transfer learning, and find vastly accelerated convergence during network re-training. Finally, we find that honoring the physics leads to improved robustness: when trained only on a few parameters, we find that the PINN model can accurately predict the solution for a wide range of parameters new to the network—thus pointing to an important application of this framework to sensitivity analysis and surrogate modeling.
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