The mechanical behavior of inelastic materials with microstructure is very complex and hard to grasp with heuristic, empirical constitutive models. For this purpose, multiscale, homogenization approaches are often used for performing reliable, accurate predictions of the macroscopic mechanical behavior of solids and structures. Nevertheless, the calculation cost of such approaches is extremely high and prohibitive for real-scale applications involving inelastic materials. Here, we propose the so-called Thermodynamics-based Artificial Neural Networks (TANN) for the constitutive modeling of materials with inelastic and complex microstructure. Our approach integrates thermodynamics-aware dimensionality reduction techniques and thermodynamics-based deep neural networks to identify, in an autonomous way, the constitutive laws and discover the internal state variables of complex inelastic materials. The efficiency and accuracy of TANN in predicting the average and local stress-strain response, the free-energy and the dissipation rate is demonstrated for both regular and perturbed two- and three-dimensional lattice microstructures in inelasticity. TANN manage to identify the internal state variables that characterize the inelastic deformation of the complex microstructural fields. These internal state variables are then used to reconstruct the microdeformation fields of the microstructure at a given state. Finally, a double-scale homogenization scheme (FEMxTANN) is used to solve a large scale boundary value problem. The high performance of the homogenized model using TANN is illustrated through detailed comparisons with microstructural calculations at large scale. An excellent agreement is shown for a variety of monotonous and cyclic stress-strain paths.


翻译:具有微结构的无弹性材料的机械行为非常复杂,而且很难用无弹性和复杂微结构材料的构建模型来理解。为此,我们的方法经常采用多尺度的同质化方法,对固体和结构的宏观机械行为进行可靠和准确的预测。然而,这些方法的计算成本极高,对于涉及无弹性材料的大规模应用来说却难以使用。在这里,我们建议用所谓的基于热力的基于热力的人工神经神经网络(TANN)来模拟具有无弹性和复杂的微结构材料的构建模型。我们的方法结合了温度动力-有觉知度的承受力降低技术以及基于热力的深层神经网络,以便以自主的方式确定固体和结构的宏观机械行为。 TANN在预测平均和当地压力紧张反应、自由度和分解速度方面的效率和准确性。我们的方法是用常规的和过硬的两维和三维的变压性硬性结构。我们的方法结合了内部变压系统,然后用内部变压系统进行内部变压,这些变压,然后用内部变压的变压的内变压,这些变压式在内部变压中进行。

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