HL-nets: Physics-informed neural networks for hydrodynamic lubrication with cavitation

空化 人工神经网络 润滑 约束(计算机辅助设计) 雅可比矩阵与行列式 残余物 偏微分方程 应用数学 数学 计算机科学 人工智能 算法 数学分析 机械 工程类 物理 机械工程 几何学
作者
Yiqian Cheng,Qing He,Weifeng Huang,Ying Liu,Yanwen Li,Decai Li
出处
期刊:Tribology International [Elsevier]
卷期号:: 108871-108871
标识
DOI:10.1016/j.triboint.2023.108871
摘要

Recently, physics-informed neural networks (PINNs) have emerged as a promising method for solving partial differential equations (PDEs). In this study, we establish a deep learning computational framework, HL-nets, for computing the flow field of hydrodynamic lubrication involving cavitation effects. The Swift-Stieber (SS) and the Jakobsson-Floberg-Olsson (JFO) cavitation conditions are implemented in the PINNs to solve the Reynolds equation. For the non-negativity constraint of the SS cavitation condition, a penalizing scheme with a residual of the non-negativity and an imposing scheme with a continuous differentiable non-negative function are proposed. For the complementarity constraint of the JFO cavitation condition, the pressure and cavitation fraction are taken as the neural network outputs, and the residual of the Fischer-Burmeister (FB) equation constrains their complementary relationships. Multi-task learning (MTL) methods are applied to balance the loss terms of functions and constraints described above. To estimate the accuracy of HL-nets, we present a numerical solution of the Reynolds equation for oil-lubricated bearings involving cavitation. The results indicate that the proposed HL-nets can highly accurately simulate hydrodynamic lubrication involving cavitation phenomena. The imposing scheme can effectively improve the accuracy of the training results of PINNs, and it is expected to have great potential to be applied to different fields where the non-negativity constraint is needed.
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