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Accelerating the prediction of strain-rate effect for carbon/epoxy composites using constitutive Artificial Neural Networks (CANNs)

Yoo, Sanghyun und Aslamsha, Ijaz Ahamed und Bhattacharya, Dipankul und Kowalski, Julia und Toso, Nathalie und Voggenreiter, Heinz (2026) Accelerating the prediction of strain-rate effect for carbon/epoxy composites using constitutive Artificial Neural Networks (CANNs). Composite Structures. Elsevier. doi: 10.1016/j.compstruct.2026.120672. ISSN 0263-8223.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
7MB

Kurzfassung

The design of composite structures for impact and crash scenarios critically relies on understanding strain-rate effect, where mechanical properties significantly vary with the local loading rates of the material. Characterising the dynamic material responses of these materials for crashworthy design is traditionally resource-intensive. While standard data-driven machine learning (ML) models offer a convenient way to learn the underlying complex characteristics from experiments, they often lack physical consistency. Additionally, they are resource-intensive, requiring large volumes of experimental data. Circumventing these two issues, we propose a novel approach utilising Constitutive Artificial Neural Networks (CANNs) to characterise the strain-rate dependent behaviour of carbon/epoxy composites. Unlike existing black-box algorithms, this approach directly embeds constitutive equations into the neural network architecture. The model is tested for IM7/8552 under uniaxial compression at strain rates up to 200 s-1. The model predictions demonstrate good agreement with experimental data (nRMSE = 7.3%), effectively capturing complex rate-dependent characteristics. Apart from demonstrating accurate interpolation, the model also shows robust extrapolation to out-of-distribution (OOD) strain rates. By combining the flexibility of ML with the reliability of physical laws, this approach significantly reduces the experimental burden, offering a powerful method to accelerate the design of safe and high-performance composite structures.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/225910/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Accelerating the prediction of strain-rate effect for carbon/epoxy composites using constitutive Artificial Neural Networks (CANNs)
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Yoo, SanghyunSanghyun.Yoo (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-6924-1716NICHT SPEZIFIZIERT
Aslamsha, Ijaz Ahamedijaz.aslamsha (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bhattacharya, Dipankulbhattacharya (at) mbd.rwth-aachen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kowalski, Juliakowalski (at) mbd.rwth-aachen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Toso, NathalieNathalie.Toso (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2803-1450NICHT SPEZIFIZIERT
Voggenreiter, HeinzHeinz.Voggenreiter (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:21 Juli 2026
Erschienen in:Composite Structures
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1016/j.compstruct.2026.120672
Verlag:Elsevier
ISSN:0263-8223
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Constitutive Artificial Neural Networks; Machine learning; Carbon-epoxy; Strain rate effect; Strength
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Komponenten und Systeme
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CS - Komponenten und Systeme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Strukturwerkstoffe und Bauweisen
Standort: Aachen-Merzbrück
Institute & Einrichtungen:Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie > Strukturelle Integrität
Hinterlegt von: Yoo, Sanghyun
Hinterlegt am:29 Jul 2026 09:05
Letzte Änderung:30 Jul 2026 09:53

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