We applied physics-informed neural networks to solve the constitutive relations for nonlinear, path-dependent material behavior. As a result, the trained network not only satisfies all thermodynamic constraints but also instantly provides information about the current material state (i.e., free energy, stress, and the evolution of internal variables) under any given loading scenario without requiring initial data. One advantage of this work is that it bypasses the repetitive Newton iterations needed to solve nonlinear equations in complex material models. Additionally, strategies are provided to reduce the required order of derivation for obtaining the tangent operator. The trained model can be directly used in any finite element package (or other numerical methods) as a user-defined material model. However, challenges remain in the proper definition of collocation points and in integrating several non-equality constraints that become active or non-active simultaneously. We tested this methodology on rate-independent processes such as the classical von Mises plasticity model with a nonlinear hardening law, as well as local damage models for interface cracking behavior with a nonlinear softening law. Finally, we discuss the potential and remaining challenges for future developments of this new approach.


翻译:我们应用物理知识的神经网络来解决非线性、路径依赖材料行为的本构关系。因此,训练的网络不仅满足所有热力学约束,而且在任何给定的加载情况下,即时提供有关当前材料状态的信息(即自由能、应力和内部变量的演变),而不需要初始数据。这项工作的一个优点是它跳过了解决复杂材料模型中的非线性方程所需的重复的牛顿迭代。此外,提供了降低获得切线算子所需的导出阶数的策略。训练的模型可以直接用作用户定义的材料模型在任何有限元包(或其他数值方法)中使用。但是,在正确定义定位点并将多个非等式约束相互集成以同时变为活动或非活动方面仍存在挑战。我们将此方法应用于无速率影响的过程,如具有非线性硬化定律的经典von Mises塑性模型,以及用于界面开裂行为的局部损伤模型,其中具有非线性软化定律。最后,我们讨论了未来发展这种新方法的潜力和剩余挑战。

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