Learning nonlinear constitutive models in finite strain electromechanics with Gaussian process predictors

算法 人工智能 计算机科学 领域(数学) 机器学习 数学 纯数学
作者
A. Pérez-Escolar,Jesús Martínez‐Frutos,Rogelio Ortigosa,Nathan Ellmer,Antonio J. Gil
出处
期刊:Computational Mechanics [Springer Nature]
卷期号:74 (3): 591-613 被引量:7
标识
DOI:10.1007/s00466-024-02446-8
摘要

Abstract This paper introduces a metamodelling technique that employs gradient-enhanced Gaussian process regression (GPR) to emulate diverse internal energy densities based on the deformation gradient tensor $$\varvec{F}$$ F and electric displacement field $$\varvec{D}_0$$ D 0 . The approach integrates principal invariants as inputs for the surrogate internal energy density, enforcing physical constraints like material frame indifference and symmetry. This technique enables accurate interpolation of energy and its derivatives, including the first Piola-Kirchhoff stress tensor and material electric field. The method ensures stress and electric field-free conditions at the origin, which is challenging with regression-based methods like neural networks. The paper highlights that using invariants of the dual potential of internal energy density, i.e., the free energy density dependent on the material electric field $$\varvec{E}_0$$ E 0 , is inappropriate. The saddle point nature of the latter contrasts with the convexity of the internal energy density, creating challenges for GPR or Gradient Enhanced GPR models using invariants of $$\varvec{F}$$ F and $$\varvec{E}_0$$ E 0 (free energy-based GPR), compared to those involving $$\varvec{F}$$ F and $$\varvec{D}_0$$ D 0 (internal energy-based GPR). Numerical examples within a 3D Finite Element framework assess surrogate model accuracy across challenging scenarios, comparing displacement and stress fields with ground-truth analytical models. Cases include extreme twisting and electrically induced wrinkles, demonstrating practical applicability and robustness of the proposed approach.

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