توصيفگر ها :
مواد مركب , معادلات ساختاري , شبكه عصبي عميق , آباكوس
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، محاسباتي با استفاده از شبكههاي عصبي مصنوعي براي پيشبيني معادلات ساختاري مواد كامپوزيتي ارايه شده است. تحليل سازهها با روش اجزايمحدود معمولا شامل مراحل مدلسازي هندسه، اعمال بارگذاريها و شرايط مرزي، شبكهبندي اجزايمحدود، حل عددي معادلات حاكم و استخراج نتايج (مانند تنش و تغيير شكل) تحت شرايط كاري مختلف است. اين فرايند در شرايطي كه يكي از شرايط كاري قطعهكار تغيير كند بايد مراحل فوق تكرار گردد و نياز است به صورت مداوم ماتريس سختي محاسبه شود كه ميتواند فرآيندي زمانگير و هزينهبر باشد. امروزه با رشد توان محاسباتي سيستمهاي رايانهاي و سرعت بالاي روشهاي داده محور؛ تمايل به سازوكارهاي داده محور در پيشبيني ماتريس سختي رو به ازدياد است. در اين پژوهش سعي شد به كمك روش دادهمحور شبكههاي عصبي مصنوعي، رويكرد متفاوتي نسبت به روشهاي اجزاي محدود در پيشبيني ماتريس سختي ارائه شود. شبكههاي عصبي مصنوعي اين قابليت را دارند تا الگوي بين دادههاي ورودي و خروجي در يك سيستم را كشف كنند و براي پيشبيني دادههاي ورودي جديد مورد استفاده قرار بگيرند. استفاده از روشهاي داده محور در پديدههاي پيچيده مستلزم دسترسي به تعداد قابل توجه دادهها به منظور آموزش صحيح شبكه و عملكرد مطلوب آن است. در صورت استفاده از دادههاي مستقيم (كرنش-تنش) براي آموزش شبكه عصبي مصنوعي، به دليل اينكه دادههاي كرنش-تنش اندازهگيريشده در يك جهت يكنواخت هستند و اطلاعات كافي براي معادلات ساختاري با ابعاد بالا (مانند دوبعدي يا سهبعدي) فراهم نميكنند، منجر به تستهاي شبيهسازي نسبتا زياد و افزايش هزينه محاسباتي ميشود. براي امكانپذير كردن يادگيري معادلات ساختاري ناشناخته توسط شبكههاي عصبي عميق، در اين روش، شبكه عصبي عميق بر اساس دادههاي غيرمستقيم، مانند نيروها و جابهجاييهاي محدود كه ميتوانند مستقيماً از آزمايشها اندازهگيري شوند، آموزش داده ميشوند. براي ساخت دادههاي غيرمستقيم (نيروها و جابجاييها) از آباكوس استفاده شد. جابجاييهاي ساخته شده به عنوان مقادير مرجع بهكار برده شدند. در ادامه شبكههايي طراحي شد كه پارامترهاي ماتريس سختي را پيشبيني ميكنند. اين پارامترها در اختيار آباكوس قرار ميگيرند و آباكوس براساس اين پارامترها جابجاييها را محاسبه ميكند. تابع جريمه به كمك اين جابجاييها و جابجاييهاي مرجع و براساس ميانگين مربعات خطا محاسبه ميشود. اين فرايند تا رسيدن تابع جريمه به مقدار آستانه ادامه مييابد. صحت اجراي اين روش با يك مدل مكعبي و يك مدل مكعبي كامپوزيت مورد ارزيابي قرار گرفت كه در هر دو مدل خواص مواد در اكثر موارد با خطاي كمتر از 5/0٪ پيشبيني شد.
چكيده انگليسي :
In this study, a calculation using artificial neural networks to predict the structural equations of composite materials is presented. Structural analysis using the finite element method usually includes the steps of geometry modeling, applying loads and boundary conditions, meshing finite elements, numerically solving governing equations, and extracting results (such as stress and deformation) under different working conditions. This process must be repeated when one of the working conditions of the workpiece changes, and the stiffness matrix needs to be calculated continuously, which can be a time-consuming and costly process. Today, with the growth of computing power of computer systems and the high speed of data-driven methods, the tendency towards data-driven mechanisms in predicting the stiffness matrix is increasing. In this study, an attempt was made to present a different approach to finite element methods in predicting the stiffness matrix using the data-driven method of artificial neural networks. Artificial neural networks have the ability to discover patterns between input and output data in a system and can be used to predict new input data. The use of data-driven methods in complex phenomena requires access to a significant amount of data in order to properly train the network and achieve optimal performance. If direct data (strain-stress) is used to train the artificial neural network, it leads to relatively large simulation tests and increased computational cost because the measured strain-stress data are uniform in one direction and do not provide sufficient information for high-dimensional (such as 2D or 3D) structural equations. To enable learning of unknown structural equations by deep neural networks, in this method, the deep neural network is trained based on indirect data, such as finite forces and displacements that can be measured directly from experiments. Abaqus was used to construct the indirect data (forces and displacements). The constructed displacements were used as reference values. Next, networks were designed that predict the parameters of the stiffness matrix. These parameters are provided to Abaqus and Abaqus calculates the displacements based on these parameters. The penalty function is calculated using these displacements and the reference displacements and based on the mean square error. This process continues until the penalty function reaches the threshold value. The accuracy of this method was evaluated with a cubic model and a composite cubic model, and in both models, the material properties were predicted with an error of less than 0.5% in most cases.