各向异性超弹均质化不再靠猜方向:六个可学配对特征把应力误差降七倍,约束能量在数据外仍可解
导语
多晶胞各向异性超弹均质化改用可学的配对方向特征,六个特征就把应力误差降低约七倍,并让约束能量在数据之外保持可解。
正文
各向异性超弹均质化的代理模型不再依赖预先设定的方向描述,而是让方向本身从代表体积单元(RVE,即被反复求解的微观胞元)的响应中学出来。 此前的做法是把方向写死:要么用固定的结构张量,要么靠增加固定特征数量来补足表达力。 在多腔体周期胞元上,学习特征把中位应力误差从千分之三左右降到万分之四左右,约七倍;而固定特征即使加到三十二个,仍比六个可学特征差约三倍。
学习方向参数之所以可行,是因为每个特征由一对互相垂直的方向贡献组成,并各自带一个与面积比耦合的指数。 单靠一个凸的标量核心无法弥补输入本身分不清的变形状态,因为核心对每个特征单调,不能反转特征给出的次序。 同一套配对特征分别接到输入凸神经网络(ICNN)和输入凸Kolmogorov–Arnold网络(ICKAN)上,两种核心都得到相近的改善,说明增益来自方向表示本身。
约束能量在数据之外仍保持可解,而只满足势结构和参考归一化的无约束能量会失去秩一凸性。 在拟合范围内,无约束能量反而更准,其应力误差约为千分之七,比约束模型低约六倍。 在侧限压缩算例中,两种约束能量都加载到500 MPa,无约束能量在250 MPa和225 MPa的增量处牛顿迭代不收敛,此时其最小秩一曲率在384个高斯点中的个别点上转为负值。
接下来
这项工作针对两个方形周期胞元、平面应变运动学和两种结构载荷:一个拉伸试样和一个侧限压缩算例。与嵌套全阶模型FE2的吻合度衡量的是所采用均质化模型内部的代理误差,而不是与逐胞元显式求解结构之间的误差,报告的时间也只覆盖在线流程。作者提出后续把行列式作为只需凸性、不需单调性的输入送入核心,并把构造推广到三维胞元。
作者明确说明,多腔体胞元上约束带来的精度代价约为三到五点五倍,而单腔体胞元上可达七十六到一百二十六倍,且加宽核心或增加特征都不能消除这一差距。六个特征在两个胞元上都够用,但作者指出这一数量未必推广到其他微结构。全局非负能量不属于构造保证,而是对训练参数用充分下界单独验证,三十二特征模型未通过该验证。
