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A data-driven approach to full-field nonlinear stress distribution and failure pattern prediction in composites using deep learning

非线性系统 应力场 压力(语言学) 领域(数学) 复合材料 有限元法 结构工程 材料科学 工程类 数学 物理 语言学 量子力学 哲学 纯数学
作者
Reza Sepasdar,Anuj Karpatne,Maryam Shakiba
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier]
卷期号:397: 115126-115126 被引量:77
标识
DOI:10.1016/j.cma.2022.115126
摘要

An image-based deep learning framework is developed to predict nonlinear stress distribution and failure pattern in microstructural representations of composite materials in this paper. The work is motivated by the complexity and computational cost of high-fidelity simulations of such materials. The proposed deep learning framework predicts the post-failure full-field stress distribution and the crack pattern in two-dimensional representations of the composites based on their microstructures. The deep learning framework contains two stacked fully-convolutional networks, namely, Generator 1 and Generator 2, trained sequentially. First, Generator 1 learns to translate the microstructural geometry to the full-field post-failure stress distribution. Then, Generator 2 learns to translate the output of Generator 1 to the failure pattern. A physics-informed loss function is also designed and incorporated to further improve the performance of the proposed framework and facilitate the validation process. The material of interest is selected to be a unidirectional carbon fiber-reinforced polymer composite. 4500 microstructural representations are synthetically generated and simulated using an efficient finite element framework to provide a sufficiently large data set for training and validating the deep learning framework. It is shown that the proposed deep learning approach can predict the composites’ post-failure full-field stress distribution and failure pattern, two of the most complex phenomena to simulate in computational solid mechanics, with an impressive accuracy of 90%.
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