Recently, a class of machine learning methods called physics-informed neural networks (PINNs) has been proposed and gained prevalence in solving various scientific computing problems. This approach enables the solution of partial differential equations (PDEs) via embedding physical laws into the loss function. Many inverse problems can be tackled by simply combining the data from real life scenarios with existing PINN algorithms. In this paper, we present a multi-task learning method using uncertainty weighting to improve the training efficiency and accuracy of PINNs for inverse problems in linear elasticity and hyperelasticity. Furthermore, we demonstrate an application of PINNs to a practical inverse problem in structural analysis: prediction of external loads of diverse engineering structures based on limited displacement monitoring points. To this end, we first determine a simplified loading scenario at the offline stage. By setting unknown boundary conditions as learnable parameters, PINNs can predict the external loads with the support of measured data. When it comes to the online stage in real engineering projects, transfer learning is employed to fine-tune the pre-trained model from offline stage. Our results show that, even with noisy gappy data, satisfactory results can still be obtained from the PINN model due to the dual regularization of physics laws and prior knowledge, which exhibits better robustness compared to traditional analysis methods. Our approach is capable of bridging the gap between various structures with geometric scaling and under different loading scenarios, and the convergence of training is also greatly accelerated through not only the layer freezing but also the multi-task weight inheritance from pre-trained models, thus making it possible to be applied as surrogate models in actual engineering projects.


翻译:最近,提出了一套称为物理知情神经网络(PINNs)的机器学习方法,在解决各种科学计算问题时,这些方法在解决各种科学计算问题时得到了普及。这一方法通过将物理定律嵌入损失功能,使部分差异方程式(PDEs)得以解决部分差异方程(PDEs),许多反面问题可以简单地通过将实际生活假设中的数据与现有的PINN算法结合起来来解决。在本文中,我们提出了一个多任务学习方法,利用不确定性加权提高PINNs的培训效率和准确度,以应对线性弹性弹性和超弹性的反向问题。此外,我们展示了将PINNs用于结构分析中一个实际加速的问题:预测基于有限的流离失所监测点的不同工程结构的外部负荷。为此,我们首先确定了一个离线阶段的简化装载情景。通过将未知的边界条件设定为可学习参数,PINNs可以预测外部负荷,在实际工程项目进入在线阶段时,将学习运用到精细的模型,而不是从离线阶段应用的精度模型,但在结构下,而从实际培训阶段进行更精确的升级的进度分析。我们的结果是先期的固定的升级法。因此,在前的模型中,再分析是更精确的升级法。在前的模型中,甚至的升级法制成更精确的模型,在前的模型是更精确地分析。我们的法律。

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《工程》是中国工程院(CAE)于2015年推出的国际开放存取期刊。其目的是提供一个高水平的平台,传播和分享工程研发的前沿进展、当前主要研究成果和关键成果;报告工程科学的进展,讨论工程发展的热点、兴趣领域、挑战和前景,在工程中考虑人与环境的福祉和伦理道德,鼓励具有深远经济和社会意义的工程突破和创新,使之达到国际先进水平,成为新的生产力,从而改变世界,造福人类,创造新的未来。 期刊链接:https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
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