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Toward a general physics-informed neural network for amorphous shape memory polymer modelling

无定形固体 人工神经网络 聚合物 统计物理学 认知科学 计算机科学 材料科学 理论物理学 物理 纳米技术 工程物理 心理学 人工智能 化学 复合材料 有机化学
作者
Cheng Yan,Xiaming Feng,Patrick Mensah,Guoqiang Li
出处
期刊:Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [Royal Society]
卷期号:481 (2318)
标识
DOI:10.1098/rspa.2024.0702
摘要

Due to the complex behaviour of amorphous shape memory polymers (SMPs), traditional constitutive models often struggle with material-specific limitations, challenging curve-fitting, history-dependent stress calculations and error accumulation from stepwise calculation for governing equations. In this study, we propose a physics-informed artificial neural network (PIANN) that integrates a conventional neural network with a strain-based phase transition framework to predict the constitutive behaviour of amorphous SMPs. The model is validated using five temperature–stress datasets and four temperature–strain datasets, including experimental data from four types of SMPs and simulation results from a widely accepted model. PIANN predicts four key shape memory behaviours: stress evolution during hot programming, stress recovery following both cold and hot programming and free strain recovery during heating branch. Notably, it predicts recovery strain during heating without using any heating data for training. Comparisons with experimental data show excellent agreement in both programming (cooling) and recovery (heating) branches. Remarkably, the model achieves this performance with as few as two temperature–stress curves in the training set. Overall, PIANN addresses common challenges in SMP modelling by eliminating history dependence, improving curve-fitting accuracy and significantly enhancing computational efficiency. This work represents a substantial step forward in developing generalizable models for SMPs.
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