Physics-informed multi-LSTM networks for metamodeling of nonlinear structures

过度拟合 非线性系统 元建模 人工神经网络 外推法 人工智能 深度学习 稳健性(进化) 机器学习 计算机科学 理论计算机科学 物理 数学 软件工程 化学 数学分析 基因 量子力学 生物化学
作者
Ruiyang Zhang,Yang Liu,Hao Sun
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:369: 113226-113226 被引量:267
标识
DOI:10.1016/j.cma.2020.113226
摘要

This paper introduces an innovative physics-informed deep learning framework for metamodeling of nonlinear structural systems with scarce data. The basic concept is to incorporate available, yet incomplete, physics knowledge (e.g., laws of physics, scientific principles) into deep long short-term memory (LSTM) networks, which constrains and boosts the learning within a feasible solution space. The physics constraints are embedded in the loss function to enforce the model training which can accurately capture latent system nonlinearity even with very limited available training datasets. Specifically for dynamic structures, physical laws of equation of motion, state dependency and hysteretic constitutive relationship are considered to construct the physics loss. In particular, two physics-informed multi-LSTM network architectures are proposed for structural metamodeling. The satisfactory performance of the proposed framework is successfully demonstrated through two illustrative examples (e.g., nonlinear structures subjected to ground motion excitation). It turns out that the embedded physics can alleviate overfitting issues, reduce the need of big training datasets, and improve the robustness of the trained model for more reliable prediction with extrapolation ability. As a result, the physics-informed deep learning paradigm outperforms classical non-physics-guided data-driven neural networks.
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