Data-driven methods have changed the way we understand and model materials. However, while providing unmatched flexibility, these methods have limitations such as reduced capacity to extrapolate, overfitting, and violation of physics constraints. Recent developments have led to modeling frameworks that automatically satisfy these requirements. Here we review, extend, and compare three promising data-driven methods: Constitutive Artificial Neural Networks (CANN), Input Convex Neural Networks (ICNN), and Neural Ordinary Differential Equations (NODE). Our formulation expands the strain energy potentials in terms of sums of convex non-decreasing functions of invariants and linear combinations of these. The expansion of the energy is shared across all three methods and guarantees the automatic satisfaction of objectivity and polyconvexity, essential within the context of hyperelasticity. To benchmark the methods, we train them against rubber and skin stress-strain data. All three approaches capture the data almost perfectly, without overfitting, and have some capacity to extrapolate. Interestingly, the methods find different energy functions even though the prediction on the stress data is nearly identical. The most notable differences are observed in the second derivatives, which could impact performance of numerical solvers. On the rich set of data used in these benchmarks, the models show the anticipated trade-off between number of parameters and accuracy. Overall, CANN, ICNN and NODE retain the flexibility and accuracy of other data-driven methods without compromising on the physics. These methods are thus ideal options to model arbitrary hyperelastic material behavior.


翻译:数据驱动方法改变了我们理解和建模材料的方式,然而,虽然提供了不相称的灵活性,但这些方法也有局限性,如外推、超装和违反物理限制的能力降低,最近的发展导致自动满足这些要求的建模框架。在这里,我们审查、扩展和比较了三种有希望的数据驱动方法:建筑神经网络(CANN)、输入 Convex神经网络(ICNNN)和神经普通差异(NODE),所有这三种方法都提供了不相配的灵活性。我们的配方在变异体和这些条件的线性组合中增加了变异体非决定性功能的强度能源潜力。能源的扩大在所有三种方法中都得到了共享,并且保证了在超弹性背景下的客观性和多异性性性能自动满足。为了对方法进行衡量,我们用这些方法对橡胶和皮肤压力压强的数据进行了培训。所有三种方法都几乎完美地捕捉了模型的数据,而且没有过分的精确性能。有趣的是,尽管对压力性 NVER 的精确性数据的预测和直径性选择的精确性,因此,这些最明显的精确性模型的精确性能是用来显示数字的精确性。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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