A deep learning–based method for the design of microstructural materials

计算机科学 卷积神经网络 深度学习 简单 工程设计过程 替代模型 班级(哲学) 多样性(控制论) 生成设计 数学优化 人工智能 机械工程 机器学习 数学 工程类 公制(单位) 哲学 运营管理 认识论
作者
Ren Kai Tan,Nevin L. Zhang,Wenjing Ye
出处
期刊:Structural and Multidisciplinary Optimization [Springer Science+Business Media]
卷期号:61 (4): 1417-1438 被引量:124
标识
DOI:10.1007/s00158-019-02424-2
摘要

Due to their designable properties, microstructural materials have emerged as an important class of materials that have the potential for used in a variety of applications. The design of such materials is challenged by the multifunctionality requirements and various constraints stemmed from manufacturing limitations and other practical considerations. Traditional design methods such as those based on topological optimization techniques rely heavily on high-dimensional physical simulations and can be inefficient. In addition, it is difficult to impose geometrical constraints in those methods. In this work, we propose a deep learning model based on deep convolutional generative adversarial network (DCGAN) and convolutional neural network (CNN) for the design of microstructural materials. The DCGAN is used to generate design candidates that satisfy geometrical constraints and the CNN is used as a surrogate model to link the microstructure to its properties. Once trained, the two networks are combined to form the design network which is utilized to for the inverse design. The advantages of the method include its high efficiency and the simplicity in handling geometrical constraints. In addition, no high-dimensional sensitivity simulations are required. The performance of the method is demonstrated on the design of microstructural materials with desired compliance tensor, subject to specified geometrical constraints.
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