Herein, we present a new data-driven multiscale framework called FE${}^\text{ANN}$ which is based on two main keystones: the usage of physics-constrained artificial neural networks (ANNs) as macroscopic surrogate models and an autonomous data mining process. Our approach allows the efficient simulation of materials with complex underlying microstructures which reveal an overall anisotropic and nonlinear behavior on the macroscale. Thereby, we restrict ourselves to finite strain hyperelasticity problems for now. By using a set of problem specific invariants as the input of the ANN and the Helmholtz free energy density as the output, several physical principles, e.g., objectivity, material symmetry, compatibility with the balance of angular momentum and thermodynamic consistency are fulfilled a priori. The necessary data for the training of the ANN-based surrogate model, i.e., macroscopic deformations and corresponding stresses, are collected via computational homogenization of representative volume elements (RVEs). Thereby, the core feature of the approach is given by a completely autonomous mining of the required data set within an overall loop. In each iteration of the loop, new data are generated by gathering the macroscopic deformation states from the macroscopic finite element (FE) simulation and a subsequently sorting by using the anisotropy class of the considered material. Finally, all unknown deformations are prescribed in the RVE simulation to get the corresponding stresses and thus to extend the data set. The proposed framework consequently allows to reduce the number of time-consuming microscale simulations to a minimum. It is exemplarily applied to several descriptive examples, where a fiber reinforced composite with a highly nonlinear Ogden-type behavior of the individual components is considered.


翻译:这里,我们展示了一个新的数据驱动多尺度框架,名为FE${{text{ANN}$,这个框架基于两大基石:使用物理学限制的人工神经网络(ANNS)作为宏观代谢模型和自主数据挖掘过程。我们的方法允许对具有复杂基础的微结构材料进行高效模拟,这些结构揭示了在宏观尺度上的整体厌食性和非线性行为。因此,我们仅限于目前有限的超弹性压力问题。通过将一组特定问题变异性作为 ANN 和 Helmholtz 自由能源密度的输入,将一些物理原理,例如,客观性,材料对称的模拟模型模型和自动数据开采过程的兼容性。通过计算具有代表性的体积元素(REVES)和Helmholtz 自由度的模拟模型,将输出的能量密度、若干物理原理,例如,客观性,材料结构,与角动动和热力一致性的组合之间的兼容性。因此,通过一个自导流流流流的模型,通过一个自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、自导、

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