In order to optimally design materials, it is crucial to understand the structure-property relations in the material by analyzing the effect of microstructure parameters on the macroscopic properties. In computational homogenization, the microstructure is thus explicitly modeled inside the macrostructure, leading to a coupled two-scale formulation. Unfortunately, the high computational costs of such multiscale simulations often render the solution of design, optimization, or inverse problems infeasible. To address this issue, we propose in this work a non-intrusive reduced basis method to construct inexpensive surrogates for parametrized microscale problems; the method is specifically well-suited for multiscale simulations since the coupled simulation is decoupled into two independent problems: (1) solving the microscopic problem for different (loading or material) parameters and learning a surrogate model from the data; and (2) solving the macroscopic problem with the learned material model. The proposed method has three key features. First, the microscopic stress field can be fully recovered. Second, the method is able to accurately predict the stress field for a wide range of material parameters; furthermore, the derivatives of the effective stress with respect to the material parameters are available and can be readily utilized in solving optimization problems. Finally, it is more data efficient, i.e. requiring less training data, as compared to directly performing a regression on the effective stress. For the microstructures in the two test problems considered, the mean approximation error of the effective stress is as low as 0.1% despite using a relatively small training dataset. Embedded into the macroscopic problem, the reduced order model leads to an online speed up of approximately three orders of magnitude while maintaining a high accuracy as compared to the FE$^2$ solver.


翻译:为了优化设计材料,至关重要的是要通过分析微结构参数对宏观同质特性的影响来理解材料的结构-财产关系。 在计算同质化中,微结构因此在宏观结构中被明确建模,导致两个尺度的配制。不幸的是,这种多尺度模拟的高计算成本往往使得设计、优化或反向问题的解决方案变得不可行。为了解决这一问题,我们在此工作中建议采用一种非侵入性减少的基础方法,为对准流缩微尺度问题建立廉价的代谢器;在计算时,该方法特别适合于多尺度模拟,因为同时的模拟被分解成两个独立的问题:(1) 解决不同(装载或材料)参数的微孔问题,并从数据中学习一个隐形模型;(2) 解决与所学材料模型有关的宏观问题。为了解决这个问题,我们建议的方法有三个关键特征。首先,小成本压力字段可以完全恢复。第二,该方法能够精确地预测多尺度的代向上轨道的代谢,因为对于一个较有效精度的缩缩略度的缩略度,最终将数据的缩略度用于对数值的缩微的缩缩缩缩缩图的缩定义进行预测。最后,在使用数据压力中可以使数据压力下调中,对数据进行较易的缩压进行数据的缩缩压的缩压进行。

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