The development of accurate constitutive models for materials that undergo path-dependent processes continues to be a complex challenge in computational solid mechanics. Challenges arise both in considering the appropriate model assumptions and from the viewpoint of data availability, verification, and validation. Recently, data-driven modeling approaches have been proposed that aim to establish stress-evolution laws that avoid user-chosen functional forms by relying on machine learning representations and algorithms. However, these approaches not only require a significant amount of data but also need data that probes the full stress space with a variety of complex loading paths. Furthermore, they rarely enforce all necessary thermodynamic principles as hard constraints. Hence, they are in particular not suitable for low-data or limited-data regimes, where the first arises from the cost of obtaining the data and the latter from the experimental limitations of obtaining labeled data, which is commonly the case in engineering applications. In this work, we discuss a hybrid framework that can work on a variable amount of data by relying on the modularity of the elastoplasticity formulation where each component of the model can be chosen to be either a classical phenomenological or a data-driven model depending on the amount of available information and the complexity of the response. The method is tested on synthetic uniaxial data coming from simulations as well as cyclic experimental data for structural materials. The discovered material models are found to not only interpolate well but also allow for accurate extrapolation in a thermodynamically consistent manner far outside the domain of the training data. Training aspects and details of the implementation of these models into Finite Element simulations are discussed and analyzed.


翻译:开发以路径为依存的材料的准确构成模型仍然是计算固体机理的复杂挑战,在考虑适当的模型假设和数据提供、核查和验证方面都出现挑战,因此,在考虑适当的模型假设和从数据提供、核查和验证的观点方面都出现挑战。最近,提出了数据驱动模型方法,目的是建立压力变化法,通过依靠机器学习和算法来避免用户选择功能形式,但是,这些方法不仅需要大量的数据,而且还需要用各种复杂的装货路径来探测全部压力空间的数据。此外,它们很少将所有必要的热力原则作为硬性限制加以执行。因此,它们特别不适合低数据或有限数据系统,因为获得数据的成本和后者来自获取标签数据方面的实验局限性,这是工程应用中通常的情况。我们讨论一个混合框架,它可以通过依赖弹性模型的模块性来控制一个可变数据数量,其中每个模型都可选择为古典的精细的精度,而每个模型的精度原则则不适合在外部或有限数据系统中,因此,从现有数据分析的精度模型的精度到模拟的模型的精度,其结构复杂性取决于现有数据的模拟数据和模拟分析方法。

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