Many mechanical engineering applications call for multiscale computational modeling and simulation. However, solving for complex multiscale systems remains computationally onerous due to the high dimensionality of the solution space. Recently, machine learning (ML) has emerged as a promising solution that can either serve as a surrogate for, accelerate or augment traditional numerical methods. Pioneering work has demonstrated that ML provides solutions to governing systems of equations with comparable accuracy to those obtained using direct numerical methods, but with significantly faster computational speed. These high-speed, high-fidelity estimations can facilitate the solving of complex multiscale systems by providing a better initial solution to traditional solvers. This paper provides a perspective on the opportunities and challenges of using ML for complex multiscale modeling and simulation. We first outline the current state-of-the-art ML approaches for simulating multiscale systems and highlight some of the landmark developments. Next, we discuss current challenges for ML in multiscale computational modeling, such as the data and discretization dependence, interpretability, and data sharing and collaborative platform development. Finally, we suggest several potential research directions for the future.


翻译:许多机械工程应用需要进行多尺度计算建模和仿真。然而,由于解决复杂的多尺度系统仍然需要高计算维度,因此仍然存在计算上的困难。最近,机器学习(ML)已经成为一种有前途的解决方案,可以作为传统的数值方法的替代、加速或增强。先驱性的工作已经证明,ML可以提供对解应方程的解的准确性与直接数值方法相媲美的解,但速度显著更快。这些高速、高保真度的预测可以通过为传统求解器提供更好的初始解决方案,从而促进复杂的多尺度系统的求解。本文就使用ML进行复杂多尺度建模和仿真的机遇和挑战提供了一个观点。我们首先概述了用于模拟多尺度系统的当前最先进的ML方法,并突出了一些重要发展。接下来,我们讨论了ML在多尺度计算建模中的当前挑战,如数据和离散度依赖性、可解释性、数据共享和协作平台开发。最后,我们提出了一些潜在的未来研究方向。

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