توصيفگر ها :
شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك , نانوتير , ورق , مسائل مستقيم و معكوس , خمش , كمانش , ارتعاش آزاد
چكيده فارسي :
پيشرفت روزافزون الگوريتمها، سختافزارها و پردازندههاي گرافيكي و همچنين در دسترس بودن دادهها در زمينههاي مختلف، موجب اقبال گستردهاي نسبت به رويكردهاي نوين هوش مصنوعي و به ويژه يادگيري عميق در مسائل مختلف شده است. شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك نوعي تكنيك يادگيري ماشين علمي هستند كه براي حل مسائل دربردارندهي معادلات ديفرانسيل معمولي/ جزئي مورد استفاده قرار ميگيرند. در اين نوع از شبكههاي عصبي، جوابهاي معادلات ديفرانسيل طي فرايند يادگيري شبكه و با كمينهسازي تابع زياني شامل اثرات شرايط مرزي، شرايط اوليه و باقيماندهي معادلات ديفرانسيل در نقاط منتخب تقريب زده ميشوند. در واقع اين شبكهها با وارد ساختن اطلاعاتي از فيزيك مسئله، فرايند حل مستقيم معادلات حاكم را به يك مسئلهي كمينهسازي تابع زيان تبديل مينمايند. اين رويكرد علاوه بر مسائل مستقيم در مسائل معكوس نيز از قابليتهاي ويژهاي برخوردار است.
در اين پژوهش براي نخستين بار رويكرد شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك كه در زمرهي روشهاي بدون شبكه قرار دارد در تحليل مسائل مستقيم و معكوس نانوتيرها و ورقها مورد استفاده قرار گرفته است. در بخش اول معادلات حاكم بر رفتار نانوتيرهاي واقع بر بستر ارتجاعي غيرخطي بر اساس نظريههاي تير اويلر-برنولي و غيرمحلي ارينگن به كمك اصل هميلتون استخراج شد. سپس مسئلهي خمش استاتيكي با شرايط مرزي، بارگذاريها، بسترهاي ارتجاعي گوناگون به ازاي مقادير مختلف پارامترهاي غيرمحلي تحليل و تأثير مؤلفههاي سازندهي شبكه بر عملكرد رويكرد شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك بررسي شد. در ادامه مسائل شناسايي پارامتر غيرمحلي و شدت بارگذاري عرضي، بار بحراني كمانش و فركانس ارتعاش آزاد به صورت معكوس مورد ارزيابي قرار گرفت. در بخش دوم نيز تحليل خمشي ورقها بر مبناي نظريههاي كلاسيك و برشي مرتبهي اول ورق تحت بارگذاريها و مواد سازندهي مختلف انجام شد و در ادامه مسائل شناسايي شدت بارگذاري عرضي، بار بحراني كمانش و فركانس ارتعاش آزاد به صورت معكوس مورد ارزيابي قرار گرفت. به طور خلاصه ميتوان دريافت كه هر گونه افزايش سختي با منشاء شرايط مرزي، بستر ارتجاعي و مودهاي بالاتر سبب افزايش تعداد دورههاي محاسباتي در مسائل مستقيم و معكوس ميشود. علاوه بر اين، مكان وقوع اكسترمم در نمودارهاي تغييرشكل و لنگر خمشي تحت تأثير عدم تقارن در بارگذاري و شرايط مرزي است كه به طور چشمگيري به پارامتر غيرمحلي و سختي بستر مرتبط است. قابل ذكر است كه اين رويكرد در حضور نويز و با مقادير مختلف حدس اوليه نيز عملكرد مطلوبي از خود نشان ميدهد. در انتها خاطر نشان ميشود استفاده از فرم بدون بعد و كاهش يافته معادلات ديفرانسيل و شرايط مرزي (با مشتقهاي مراتب پايينتر)، همراه با استفاده از روشهاي وزندهي تطبيقي، عملكرد رويكرد مورد استفاده را به طور قابل توجهي بهبود ميبخشد.
چكيده انگليسي :
The rapid advancements in algorithms, hardware, and graphical processors, along with the increasing availability of data across various fields, have led to widespread interest in modern artificial intelligence approaches, particularly deep learning, for solving a diverse range of problems. Physics-informed neural networks (PINNs) are a type of scientific machine learning technique used to solve problems involving ordinary and partial differential equations. In this type of neural network, the solutions to differential equations are approximated during the learning process by minimizing a loss function that incorporates the effects of boundary conditions, initial conditions, and the residuals of the differential equations at selected points. Essentially, these networks transform the process of directly solving governing equations into an optimization problem by incorporating the physical knowledge of the problem. This approach is particularly effective for both forward and inverse problems. In this thesis, the PINN approach—an innovative class of scientific machine learning techniques and part of the mesh-free methods category—has been employed for the first time to analyze both forward and inverse problems related to nanobeams and plates. In the first part, the governing equations for the behavior of nanobeams resting on a nonlinear elastic foundation were derived using Hamilton’s principle, based on Euler-Bernoulli beam theory and Eringen’s nonlocal theory. Subsequently, the static bending problem was analyzed under various boundary conditions, loadings, and elastic foundations for different values of nonlocal parameters. Additionally, the impact of network components on the performance of the PINN approach was examined. Inverse problems involving the identification of the nonlocal parameter, transverse loading intensity, critical buckling load, and free vibration frequency were also evaluated. In the second part, the bending analysis of plates was conducted based on classical plate theory and first-order shear deformation theory under various loadings and material compositions. Furthermore, inverse problems related to the identification of transverse loading intensity, critical buckling load, and free vibration frequency were assessed. In summary, it was observed that any increase in stiffness originating from boundary conditions, the elastic foundation, or higher modes leads to an increase in the number of computational iterations (epochs) required for both forward and inverse problems. Moreover, the location of the extrema in the deformation and bending moment diagrams is influenced by asymmetry in loading and boundary conditions, which is significantly related to the nonlocal parameter and foundation stiffness. It is worth noting that this approach demonstrates favorable performance even in the presence of noise and with varying initial guesses. Finally, the use of nondimensionalized reduced order differential equations and boundary conditions, along with adaptive weighting methods, significantly improves the performance of the utilized approach.