Tailoring the mechanical properties of 3D microstructures: a deep learning and genetic algorithm inverse optimization framework

反向 微观结构 遗传算法 计算机科学 过程(计算) 材料科学 可转让性 算法 反问题 数学优化 机器学习 数学 复合材料 操作系统 数学分析 罗伊特 几何学
作者
Xiao Shang,Zhiying Liu,Jiahui Zhang,Taibiao Lyu,Yanbo Zou
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2305.05634
摘要

Materials-by-design has been historically challenging due to complex process-microstructure-property relations. Conventional analytical or simulation-based approaches suffer from low accuracy or long computational time and poor transferability, further limiting their applications in solving the inverse material design problem. Here, we establish a deep learning and genetic algorithm framework that integrates forward prediction and inverse exploration. This framework provides an end-to-end solution to achieve application-specific mechanical properties by microstructure optimization. In this study, we select the widely used Ti-6Al-4V to demonstrate the effectiveness of this framework by tailoring its microstructure and achieving various yield strength and elastic modulus across a large design space, while minimizing the stress concentration factor. Compared with conventional methods, our framework is efficient, versatile, and readily transferrable to other materials and properties. Paired with additive manufacturing's potential in controlling local microstructural features, our method has far-reaching potential for accelerating the development of application-specific, high-performing materials.
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