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DeepFEM: A Novel Element-Based Deep Learning Approach for Solving Nonlinear Partial Differential Equations in Computational Solid Mechanics

非线性系统 人工神经网络 偏微分方程 固体力学 计算机科学 应用数学 有限元法 数学 人工智能 数学分析 物理 结构工程 工程类 材料科学 量子力学 复合材料
作者
Yijia Dong,Tao Liu,Zhi-Min Li,Pizhong Qiao
出处
期刊:Journal of Engineering Mechanics-asce [American Society of Civil Engineers]
卷期号:149 (2) 被引量:16
标识
DOI:10.1061/jenmdt.emeng-6643
摘要

In this paper, an element-based deep learning approach named DeepFEM for solving nonlinear partial differential equations (PDEs) in solid mechanics is developed to reduce the number of sampling points required for training the deep neural network. Shape functions are introduced into deep learning to approximate the displacement field within the element. A general scheme for training the deep neural network based on derivatives computed from the shape functions is proposed. For the sake of demonstrations, the nonlinear vibration, nonlinear bending, and cohesive fracture problems are solved, and the results are compared with those from the existing methods to evaluate the performance of the present method. The results demonstrate that DeepFEM can effectively approximate the solution of the nonlinear mechanics problems with high accuracy, while the shape functions can significantly improve the computational efficiency. Moreover, with the trained DeepFEM model, the solutions of nonlinear problems with different geometric or material properties can be obtained instantly without retraining. Finally, the proposed DeepFEM is employed in the identification of material parameters of composite plate. The results show that the longitudinal and transverse elastic moduli of the ply in the composite plates can be accurately predicted based on the nonlinear mechanical response of plates.
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