Physics-informed neural networks (PINNs) are capable of finding the solution for a given boundary value problem. We employ several ideas from the finite element method (FEM) to enhance the performance of existing PINNs in engineering problems. The main contribution of the current work is to promote using the spatial gradient of the primary variable as an output from separated neural networks. Later on, the strong form which has a higher order of derivatives is applied to the spatial gradients of the primary variable as the physical constraint. In addition, the so-called energy form of the problem is applied to the primary variable as an additional constraint for training. The proposed approach only required up to first-order derivatives to construct the physical loss functions. We discuss why this point is beneficial through various comparisons between different models. The mixed formulation-based PINNs and FE methods share some similarities. While the former minimizes the PDE and its energy form at given collocation points utilizing a complex nonlinear interpolation through a neural network, the latter does the same at element nodes with the help of shape functions. We focus on heterogeneous solids to show the capability of deep learning for predicting the solution in a complex environment under different boundary conditions. The performance of the proposed PINN model is checked against the solution from FEM on two prototype problems: elasticity and the Poisson equation (steady-state diffusion problem). We concluded that by properly designing the network architecture in PINN, the deep learning model has the potential to solve the unknowns in a heterogeneous domain without any available initial data from other sources. Finally, discussions are provided on the combination of PINN and FEM for a fast and accurate design of composite materials in future developments.


翻译:物理知情的神经网络(PINNs)能够找到特定边界值问题的解决方案。 我们使用限量元素法(FEM)中的若干想法来提高现有 PINNs在工程问题方面的性能。 目前工作的主要贡献是促进使用主要变量的空间梯度作为分离神经网络的输出。 之后, 主要衍生物排序较高的强型形式将主要变量的空间梯度作为物理制约来应用。 此外, 问题所谓的能源形式被应用到主要变量中作为培训的额外制约。 拟议的方法仅需要到现有 PINNs在工程问题中的表现。 我们讨论的是为什么这一点通过不同模型之间的各种比较是有用的。 混合基于配置的 PINNs 和 FEE 方法有一些相似之处。 虽然前者将PDE及其能源形式在给定的合点上应用了一个复杂的非线性内位模型, 后者在元素节点上提供任何有助于构建功能。 我们侧重于初始化的固态P- 以显示初步的内流源衍生物衍生物分析工具, 快速地显示在预测FEMIN 格式设计过程中的深层结构中, 最终的模型在复杂环境中, 模拟中, 模拟中, 模拟中, 模拟的模拟的模型在构建中, 模拟的构造中, 模拟中, 的构造中, 模拟的模型的构造中, 模拟的构造中, 的构造中, 模拟的构造中, 模拟的构造中, 的构造中,, 的构造中, 的构造的构造的构造的构造的构造的构造的构造的构造的构造的构造中, 。

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