In the present work, a hyperelastic constitutive model based on neural networks is proposed which fulfills all common constitutive conditions by construction, and in particular, is applicable to compressible material behavior. Using different sets of invariants as inputs, a hyperelastic potential is formulated as a convex neural network, thus fulfilling symmetry of the stress tensor, objectivity, material symmetry, polyconvexity, and thermodynamic consistency. In addition, a physically sensible stress behavior of the model is ensured by using analytical growth terms, as well as normalization terms which ensure the undeformed state to be stress free and with zero energy. The normalization terms are formulated for both isotropic and transversely isotropic material behavior and do not violate polyconvexity. By fulfilling all of these conditions in an exact way, the proposed physics-augmented model combines a sound mechanical basis with the extraordinary flexibility that neural networks offer. Thus, it harmonizes the theory of hyperelasticity developed in the last decades with the up-to-date techniques of machine learning. Furthermore, the non-negativity of the hyperelastic potential is numerically verified by sampling the space of admissible deformations states, which, to the best of the authors' knowledge, is the only possibility for the considered nonlinear compressible models. The applicability of the model is demonstrated by calibrating it on data generated with analytical potentials, which is followed by an application of the model to finite element simulations. In addition, an adaption of the model to noisy data is shown and its extrapolation capability is compared to models with reduced physical background. Within all numerical examples, excellent and physically meaningful predictions have been achieved with the proposed physics-augmented neural network.


翻译:在目前的工作中,提出了以神经网络为基础的超弹性构成模型,该模型通过建筑满足所有共同构成条件,特别是适用于压缩材料行为的正常化条件,可以满足所有共同构成条件。使用不同的变异体组合作为投入,将超弹性潜力发展成共振神经网络,从而实现压力振幅、客观性、材料对称、多相异性和热力一致性的对称性。此外,通过使用分析增长术语以及确保不畸形状态不受压力和无能量的正常化条件,可以确保该模型的高度压力行为得到实际合理的保证。使用不同的变异状态作为压缩材料行为。使用不同的变异体变量组合作为投入,将超弹性性弹性潜力形成一个可靠的机械基础。因此,采用分析性增长术语使过去几十年所形成的高度弹性理论与机器学习的最新技术相协调。此外,正态的变异性物质行为,不反向变异变异的变异性数据是模拟数据的变异性,其变异性数据只是通过分析性变异性模型显示的变异性数据。

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