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Designing Bioinspired Composite Structures via Genetic Algorithm and Conditional Variational Autoencoder

自编码 刚度 韧性 复合数 有限元法 遗传算法 计算机科学 材料科学 算法 极限抗拉强度 结构工程 人工神经网络 人工智能 复合材料 机器学习 工程类
作者
Yi-Hung Chiu,Ya-Hsuan Liao,Jia‐Yang Juang
出处
期刊:Polymers [MDPI AG]
卷期号:15 (2): 281-281 被引量:23
标识
DOI:10.3390/polym15020281
摘要

Designing composite materials with tailored stiffness and toughness is challenging due to the massive number of possible material and geometry combinations. Although various studies have applied machine learning techniques and optimization methods to tackle this problem, we still lack a complete understanding of the material effects at different positions and a systematic experimental procedure to validate the results. Here we study a two-dimensional (2D) binary composite system with an edge crack and grid-like structure using a Genetic Algorithm (GA) and Conditional Variational Autoencoder (CVAE), which can design a composite with desired stiffness and toughness. The fitness of each design is evaluated using the negative mean square error of their predicted stiffness and toughness and the target values. We use finite element simulations to generate a machine-learning dataset and perform tensile tests on 3D-printed specimens to validate our results. We show that adding soft material behind the crack tip, instead of ahead of the tip, tremendously increases the overall toughness of the composite. We also show that while GA generates composite designs with slightly better accuracy (both methods perform well, with errors below 20%), CVAE takes considerably less time (~1/7500) to generate designs. Our findings may provide insights into the effect of adding soft material at different locations of a composite system and may also provide guidelines for conducting experiments and Explainable Artificial Intelligence (XAI) to validate the results.

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