Hierarchical Deep Learning Neural Network (HiDeNN): An artificial intelligence (AI) framework for computational science and engineering

计算机科学 人工神经网络 灵活性(工程) 人工智能 深度学习 集合(抽象数据类型) 计算智能 机器学习 计算力学 有限元法 数学 工程类 结构工程 统计 程序设计语言
作者
Sourav Saha,Zhengtao Gan,Lin Cheng,Jiaying Gao,Orion L. Kafka,Xiaoyu Xie,Hengyang Li,Mahsa Tajdari,H. Alicia Kim,Wing Kam Liu
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:373: 113452-113452 被引量:137
标识
DOI:10.1016/j.cma.2020.113452
摘要

In this work, a unified AI-framework named Hierarchical Deep Learning Neural Network (HiDeNN) is proposed to solve challenging computational science and engineering problems with little or no available physics as well as with extreme computational demand. The detailed construction and mathematical elements of HiDeNN are introduced and discussed to show the flexibility of the framework for diverse problems from disparate fields. Three example problems are solved to demonstrate the accuracy, efficiency, and versatility of the framework. The first example is designed to show that HiDeNN is capable of achieving better accuracy than conventional finite element method by learning the optimal nodal positions and capturing the stress concentration with a coarse mesh. The second example applies HiDeNN for multiscale analysis with sub-neural networks at each material point of macroscale. The final example demonstrates how HiDeNN can discover governing dimensionless parameters from experimental data so that a reduced set of input can be used to increase the learning efficiency. We further present a discussion and demonstration of the solution for advanced engineering problems that require state-of-the-art AI approaches and how a general and flexible system, such as HiDeNN-AI framework, can be applied to solve these problems.
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