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Solving Forward and Inverse Problems of Contact Mechanics using Physics-Informed Neural Networks

Sahin, Tarik und von Danwitz, Max und Popp, Alexander (2024) Solving Forward and Inverse Problems of Contact Mechanics using Physics-Informed Neural Networks. Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 11. Springer Nature. doi: 10.1186/s40323-024-00265-3. ISSN 2213-7467.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://amses-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40323-024-00265-3

Kurzfassung

This paper explores the ability of physics-informed neural networks (PINNs) to solve forward and inverse problems of contact mechanics for small deformation elasticity. We deploy PINNs in a mixed-variable formulation enhanced by output transformation to enforce Dirichlet and Neumann boundary conditions as hard constraints. Inequality constraints of contact problems, namely Karush-Kuhn-Tucker (KKT) type conditions, are enforced as soft constraints by incorporating them into the loss function during network training. To formulate the loss function contribution of KKT constraints, existing approaches applied to elastoplasticity problems are investigated and we explore a nonlinear complementarity problem (NCP) function, namely Fischer-Burmeister, which possesses advantageous characteristics in terms of optimization. Based on the Hertzian contact problem, we show that PINNs can serve as pure partial differential equation (PDE) solver, as data-enhanced forward model, as inverse solver for parameter identification, and as fast-to-evaluate surrogate model. Furthermore, we demonstrate the importance of choosing proper hyperparameters, e.g. loss weights, and a combination of Adam and L-BFGS-B optimizers aiming for better results in terms of accuracy and training time.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203753/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Solving Forward and Inverse Problems of Contact Mechanics using Physics-Informed Neural Networks
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sahin, Tariktarik.sahin (at) unibw.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
von Danwitz, Maxmax.vondanwitz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2814-0027158928719
Popp, Alexanderalexander.popp (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8820-466X158928722
Datum:3 Mai 2024
Erschienen in:Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:11
DOI:10.1186/s40323-024-00265-3
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Ladevèze, PierreLadeveze (at) ens-paris-saclay.frNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Springer Nature
Name der Reihe:Advances in Machine Learning and Computational Mechanics
ISSN:2213-7467
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Physics-informed neural networks, Mixed-variable formulation, Contact mechanics, Enforcing inequalities, Fischer-Burmeister NCP-function
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:keine Zuordnung
DLR - Forschungsgebiet:keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):keine Zuordnung
Standort: Rhein-Sieg-Kreis
Institute & Einrichtungen:Institut für den Schutz terrestrischer Infrastrukturen > Simulationsmethoden für Digitale Zwillinge
Institut für den Schutz terrestrischer Infrastrukturen
Hinterlegt von: von Danwitz, Max
Hinterlegt am:17 Apr 2024 16:22
Letzte Änderung:03 Mai 2024 15:22

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