With the rapid development of additive manufacturing, microstructures are attracting both academic and industrial interests. As an efficient way of analyzing the mechanical behaviors of microstructures, the homogenization method has been well studied in the literature. However, the classic homogenization method still faces challenges. Its computational cost is high for topological optimization that requires highly repeated calculation. The computation is more expensive when the microstructure is deformed from a regular cubic, causing changes for the virtual homogeneous material properties. To conquer this problem, we introduce a fine-designed 3D convolutional neural network (CNN), named DH-Net, to predict the homogenized properties of deformed microstructures. The novelty of DH-Net is that it predicts the local displacement rather than the homogenized properties. The macroscopic strains are considered as a constant in the loss function based on minimum potential energy. Thus DH-Net is label-free and more computation efficient than existing deep learning methods with the mean square loss function. We apply the shape-material transformation that a deformed microstructure with isotropic material can be bi-transformed into a regular structure with a transformed base material, such that the input with a CNN-friendly form feeds in DH-Net. DH-Net predicts homogenized properties with hundreds of acceleration compared to the standard homogenization method and even supports online computing. Moreover, it does not require a labeled dataset and thus can be much faster than current deep learning methods in training processing. DH-Net can predict both homogenized material properties and micro-mechanical properties, which is unavailable for existing DL methods. The generalization of DH-Net for different base materials and different types of microstructures is also taken into account.


翻译:随着添加剂制造的迅速发展,微结构正在吸引学术和工业兴趣。作为一种分析微结构机械行为的有效方法,文献中已经很好地研究了同质化方法。然而,典型的同质化方法仍然面临着挑战。其计算成本对于需要大量重复计算的地貌优化来说是很高的。当微结构从正常的立方体变形时,计算成本更高,导致虚拟同质材料特性的变化。为了克服这一问题,我们采用了一个精心设计的3D 相形神经网络(CNN),称为DH-Net,以预测变形微结构的同质性能。DH-Net的新颖之处在于它预测本地迁移的特性而不是同质性能特性。由于最小的潜在能量,宏观结构的计算成本被认为是损失函数的常态。因此,DH-Net是没有标签的,而且比现有深层的损耗损函数特性更高效的。我们采用以变形微结构材料结构变形的微结构变形结构,DH-Net的变形结构可以不甚甚易地转换为当前数据化的DNA数据化,因此,而现在的D-D-D-D-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C

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