A thermodynamically consistent physics-informed deep learning material model for short fiber/polymer nanocomposites

纳米复合材料 聚合物 纤维 材料科学 高分子物理 复合材料 统计物理学 高分子科学 物理
作者
Betim Bahtiri,Behrouz Arash,S. Scheffler,Maximilian Jux,Raimund Rolfes
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:427: 117038-117038 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.cma.2024.117038
摘要

This work proposes a physics-informed deep learning (PIDL)-based constitutive model for investigating the viscoelastic–viscoplastic behavior of short fiber-reinforced nanoparticle-filled epoxies under various ambient conditions. The deep-learning model is trained to enforce thermodynamic principles, leading to a thermodynamically consistent constitutive model. To accomplish this, a long short-term memory network is combined with a feed-forward neural network to predict internal variables required for characterizing the internal dissipation of the nanocomposite materials. In addition, another feed-forward neural network is used to indicate the free-energy function, which enables defining the thermodynamic state of the entire system. The PIDL model is initially developed for the three-dimensional case by generating synthetic data from a classical constitutive model. The model is then trained by extracting the data directly from cyclic loading–unloading experimental tests. Numerical examples show that the PIDL model can accurately predict the mechanical behavior of epoxy-based nanocomposites for different volume fractions of fibers and nanoparticles under various hygrothermal conditions.
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