Microstructure-Sensitive Deformation Modeling and Materials Design with Physics-Informed Neural Networks

微观结构 材料科学 变形(气象学) 人工神经网络 纹理(宇宙学) 机械工程 人工智能 功能(生物学) 方向(向量空间) 计算机科学 机器学习 几何学 工程类 数学 复合材料 进化生物学 生物 图像(数学)
作者
Mahmudul Hasan,Zekeriya Ender Eğer,Arulmurugan Senthilnathan,Pınar Acar
出处
期刊:AIAA Journal [American Institute of Aeronautics and Astronautics]
卷期号:62 (5): 1864-1874
标识
DOI:10.2514/1.j062708
摘要

Microstructure-sensitive materials design has become popular among materials engineering researchers in the last decade because it allows the control of material performance through the design of microstructures. In this study, the microstructure is defined by an orientation distribution function. A physics-informed machine learning approach is integrated into microstructure design to improve the accuracy, computational efficiency, and explainability of microstructure-sensitive design. When data generation is costly and numerical models need to follow certain physical laws, machine learning models that are domain-aware perform more efficiently than conventional machine learning models. Therefore, a new paradigm called the physics-informed neural network (PINN) is introduced in the literature. This study applies the PINN to microstructure-sensitive modeling and inverse design to explore the material behavior under deformation processing. In particular, we demonstrate the application of PINN to small-data problems driven by a crystal plasticity model that needs to satisfy the physics-based design constraints of the microstructural orientation space. For the first problem, we predict the microstructural texture evolution of copper during a tensile deformation process as a function of initial texturing and strain rate. The second problem aims to calibrate the crystal plasticity parameters of the Ti-7Al alloy by solving an inverse design problem to match the PINN-predicted final texture prediction and the experimental data.

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