A deep learning framework for solution and discovery in solid mechanics: linear elasticity.

冯·米塞斯屈服准则 稳健性(进化) 人工神经网络 计算机科学 深度学习 非线性系统 人工智能 有限元法 趋同(经济学) 应用数学 机器学习 数学优化 算法 数学 物理 生物化学 化学 量子力学 经济 基因 经济增长 热力学
作者
Ehsan Haghighat,Maziar Raissi,Adrian Moure,Héctor Gómez,Rubén Juanes
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:22
摘要

We present the application of a class of deep learning, known as Physics Informed Neural Networks (PINN), to learning and discovery 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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