Microstructure Representation and Reconstruction of Heterogeneous Materials Via Deep Belief Network for Computational Material Design

特征(语言学) 计算机科学 代表(政治) 微观结构 材料设计 降维 人工智能 算法 计算科学 理论计算机科学 计算机工程 材料科学 政治 万维网 哲学 冶金 法学 语言学 政治学
作者
Ruijin Cang,Yaopengxiao Xu,Shaohua Chen,Yongming Liu,Yang Jiao,Max Yi Ren
出处
期刊:Journal of Mechanical Design [American Society of Mechanical Engineers]
卷期号:139 (7) 被引量:114
标识
DOI:10.1115/1.4036649
摘要

Integrated Computational Materials Engineering (ICME) aims to accelerate optimal design of complex material systems by integrating material science and design automation. For tractable ICME, it is required that (1) a structural feature space be identified to allow reconstruction of new designs, and (2) the reconstruction process be property-preserving. The majority of existing structural presentation schemes relies on the designer's understanding of specific material systems to identify geometric and statistical features, which could be biased and insufficient for reconstructing physically meaningful microstructures of complex material systems. In this paper, we develop a feature learning mechanism based on convolutional deep belief network (CDBN) to automate a two-way conversion between microstructures and their lower-dimensional feature representations, and to achieve a 1000-fold dimension reduction from the microstructure space. The proposed model is applied to a wide spectrum of heterogeneous material systems with distinct microstructural features including Ti–6Al–4V alloy, Pb63–Sn37 alloy, Fontainebleau sandstone, and spherical colloids, to produce material reconstructions that are close to the original samples with respect to two-point correlation functions and mean critical fracture strength. This capability is not achieved by existing synthesis methods that rely on the Markovian assumption of material microstructures.

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