Deep Learning Based Uncertainty Analysis in Computational Micromechanics of Composite Materials

超参数 多项式混沌 不确定度量化 人工神经网络 赫米特多项式 代表性基本卷 算法 有限元法 实现(概率) 计算机科学 人工智能 应用数学 数学 机器学习 蒙特卡罗方法 数学分析 统计 结构工程 工程类
作者
K. Sepahvand
出处
期刊:Applied mechanics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:2 (3): 559-570 被引量:2
标识
DOI:10.3390/applmech2030031
摘要

Design of new materials is quite a difficult task owing to various time and length scales and affiliated uncertainties. The major challenge is to include all these in a conventional model. Hyperparameter models in machine learning can be used to overcome these issues. In this paper, an artificial neural network (ANN) model is developed to estimate the effective elastic parameters of unidirectional fiber reinforced composites using representative volume elements (RVE) considering uncertainty in the fiber diameter. The diameter probability distribution is constructed from the acquired gray images by employing image processing operations. The generalized Polynomial Chaos (gPC) expansion is then used to represent the distribution as a random input parameter for finite element analysis, from where the effective parameters are realized. Similarly, the outputs of the FE model, i.e., elastic parameters, are approximated by gPC expansions having unknown deterministic coefficients and random orthogonal Hermite polynomials. A set of collocation points are generated from roots of the random polynomials; from there, the unknown coefficients are estimated. The realization samples are utilized to train an ANN algorithm based on supervised deep learning. The developed ANN model is later tested and validated for a new sample set of data. It is shown that the ANN model with few hidden layers and neurons has a high accuracy for estimation of the elastic parameters directly from the information on the distribution of fiber diameters.
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