Physics-Informed Neural Networks for Solving Forward and Inverse Problems in Complex Beam Systems

Timoshenko梁理论 偏微分方程 反问题 欧拉公式 人工神经网络 反向 应用数学 数学 无量纲量 梁(结构) 数学分析 计算机科学 物理 几何学 人工智能 光学 机械
作者
Taniya Kapoor,Hongrui Wang,Alfredo Núñez,Rolf Dollevoet
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:35 (5): 5981-5995 被引量:27
标识
DOI:10.1109/tnnls.2023.3310585
摘要

This article proposes a new framework using physics-informed neural networks (PINNs) to simulate complex structural systems that consist of single and double beams based on Euler–Bernoulli and Timoshenko theories, where the double beams are connected with a Winkler foundation. In particular, forward and inverse problems for the Euler–Bernoulli and Timoshenko partial differential equations (PDEs) are solved using nondimensional equations with the physics-informed loss function. Higher order complex beam PDEs are efficiently solved for forward problems to compute the transverse displacements and cross-sectional rotations with less than $1e-3$ % error. Furthermore, inverse problems are robustly solved to determine the unknown dimensionless model parameters and applied force in the entire space–time domain, even in the case of noisy data. The results suggest that PINNs are a promising strategy for solving problems in engineering structures and machines involving beam systems.
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