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DMF-TONN: Direct Mesh-free Topology Optimization using Neural Networks

拓扑优化 人工神经网络 拓扑(电路) 位移场 计算机科学 有限元法 形状优化 数学优化 网络拓扑 边界(拓扑) 领域(数学) 算法 应用数学 数学 数学分析 人工智能 物理 组合数学 纯数学 热力学 操作系统
作者
Aditya Joglekar,Hongrui Chen,Levent Burak Kara
出处
期刊:Engineering With Computers [Springer Nature]
卷期号:40 (4): 2227-2240 被引量:7
标识
DOI:10.1007/s00366-023-01904-w
摘要

Abstract We propose a direct mesh-free method for performing topology optimization by integrating a density field approximation neural network with a displacement field approximation neural network. We show that this direct integration approach can give comparable results to conventional topology optimization techniques, with an added advantage of enabling seamless integration with post-processing software, and a potential of topology optimization with objectives where meshing and Finite Element Analysis (FEA) may be expensive or not suitable. Our approach (DMF-TONN) takes in as inputs the boundary conditions and domain coordinates and finds the optimum density field for minimizing the loss function of compliance and volume fraction constraint violation. The mesh-free nature is enabled by a physics-informed displacement field approximation neural network to solve the linear elasticity partial differential equation and replace the FEA conventionally used for calculating the compliance. We show that using a suitable Fourier Features neural network architecture and hyperparameters, the density field approximation neural network can learn the weights to represent the optimal density field for the given domain and boundary conditions, by directly backpropagating the loss gradient through the displacement field approximation neural network, and unlike prior work there is no requirement of a sensitivity filter, optimality criterion method, or a separate training of density network in each topology optimization iteration.
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