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Deep energy method in topology optimization applications

拓扑优化 人工神经网络 数学优化 有限元法 计算机科学 能量最小化 应用数学 位移场 固体力学 形状优化 拓扑(电路) 数学 人工智能 物理 量子力学 组合数学 热力学
作者
Junyan He,Shashank Kushwaha,Charul Chadha,Seid Korić,Diab W. Abueidda,Iwona Jasiuk
出处
期刊:Acta Mechanica [Springer Science+Business Media]
卷期号:234 (4): 1365-1379 被引量:9
标识
DOI:10.1007/s00707-022-03449-3
摘要

This paper explores the possibilities of applying physics-informed neural networks (PINNs) in topology optimization (TO) by introducing a fully self-supervised TO framework that is based on PINNs. This framework solves the forward elasticity problem by the deep energy method (DEM). Instead of training a separate neural network to update the density distribution, we leverage the fact that the compliance minimization problem is self-adjoint to express the element sensitivity directly in terms of the displacement field from the DEM model, and thus no additional neural network is needed for the inverse problem. The method of moving asymptotes is used as the optimizer for updating density distribution. The implementation of Neumann, Dirichlet, and periodic boundary conditions are described in the context of the DEM model. Three numerical examples are presented to demonstrate framework capabilities: (1) Compliance minimization in 2D under different geometries and loading, (2) Compliance minimization in 3D, and (3) Maximization of homogenized shear modulus to design 2D meta material unit cells. The results show that the optimized designs from the DEM-based framework are very comparable to those generated by the finite element method, and shed light on a new way of integrating PINN-based simulation methods into classical computational mechanics problems.

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