Physics-constrained data-driven computing is an emerging computational paradigm that allows simulation of complex materials directly based on material database and bypass the classical constitutive model construction. However, it remains difficult to deal with high-dimensional applications and extrapolative generalization. This paper introduces deep learning techniques under the data-driven framework to address these fundamental issues in nonlinear materials modeling. To this end, an autoencoder neural network architecture is introduced to learn the underlying low-dimensional representation (embedding) of the given material database. The offline trained autoencoder and the discovered embedding space are then incorporated in the online data-driven computation such that the search of optimal material state from database can be performed on a low-dimensional space, aiming to enhance the robustness and predictability with projected material data. To ensure numerical stability and representative constitutive manifold, a convexity-preserving interpolation scheme tailored to the proposed autoencoder-based data-driven solver is proposed for constructing the material state. In this study, the applicability of the proposed approach is demonstrated by modeling nonlinear biological tissues. A parametric study on data noise, data size and sparsity, training initialization, and model architectures, is also conducted to examine the robustness and convergence property of the proposed approach.


翻译:受物理约束的数据驱动计算是一种新兴的计算模式,它使得能够直接根据材料数据库模拟复杂材料,绕过古典构成模型的构建,然而,仍然难以处理高维应用和外推法通用。本文件在数据驱动的框架内引入深学习技术,以解决非线性材料建模中的这些根本问题。为此,引入了自动编码神经网络结构,以学习特定材料数据库的低维代表(组成)基础。离线培训的自动编码器和发现的嵌入空间随后被纳入在线数据驱动计算中,以便从数据库中搜索最佳物质状态能够在低维空间进行,目的是提高预测材料数据的可靠性和可预测性。为了确保数字稳定性和具有代表性的构件组合,为构建材料状态,提出了一个基于自动编码的数据驱动数据解决方案。在这一研究中,通过非线性生物组织建模模型来证明拟议方法的可适用性。关于数据密度、数据大小和稳定性的初步研究,也是关于数据整合性的初步研究。

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