An energy approach to the solution of partial differential equations in computational mechanics via machine learning: concepts, implementation and applications

dc.contributor.authorSamaniego Alvarado, Esteban Patricio
dc.contributor.authorAnitescu, Cosmin
dc.contributor.authorGoswami, Somdatta
dc.contributor.authorNguyen Thanh, Vien Minh
dc.contributor.authorHongwei, Guo
dc.contributor.authorHamdia, Khader M.
dc.contributor.authorZhuang, Xiaoying
dc.contributor.authorRabczuk, Timon
dc.date.accessioned2020-05-19T01:27:02Z
dc.date.available2020-05-19T01:27:02Z
dc.date.issued2020
dc.descriptionLas ecuaciones diferenciales parciales (PDE) de Elsevier B.V. son fundamentales para modelar matemáticamente diferentes fenómenos en ciencias e ingeniería. Resolverlos es un paso crucial hacia un conocimiento preciso del comportamiento de los sistemas naturales y de ingeniería. En general, para resolver PDE que representan sistemas reales en un grado aceptable, los métodos analíticos generalmente no son suficientes. Uno tiene que recurrir a métodos de discretización. Para problemas de ingeniería, probablemente la opción más conocida es el método de elementos finitos (FEM). Sin embargo, también hay disponibles alternativas poderosas, como los métodos sin malla y el Análisis isogeométrico (IGA). La idea fundamental es aproximar la solución de la PDE mediante funciones específicamente creadas para tener algunas propiedades deseables. En esta contribución, exploramos las redes neuronales profundas (DNN) como una opción de aproximación. Han mostrado resultados impresionantes en áreas como el reconocimiento visual. Los DNN se consideran aquí como máquinas de aproximación de funciones. Hay una gran flexibilidad para definir su estructura y los avances importantes en la arquitectura y la eficiencia de los algoritmos para implementarlos hacen que los DNN sean una alternativa muy interesante para aproximar la solución de un PDE. Nos concentramos en aplicaciones que tienen interés en la Mecánica Computacional. La mayoría de las contribuciones exploran esta posibilidad han adoptado una estrategia de colocación. En este trabajo, nos concentramos en problemas mecánicos y analizamos el formato energético del PDE. La energía de un sistema mecánico parece ser la función de pérdida natural de un método de aprendizaje automático para abordar un problema mecánico. Para probar los conceptos, tratamos varios problemas y exploramos las capacidades del método para aplicaciones en ingeniería.
dc.description.abstractPartial Differential Equations (PDEs) are fundamental to model different phenomena in science and engineering mathematically. Solving them is a crucial step towards a precise knowledge of the behavior of natural and engineered systems. In general, in order to solve PDEs that represent real systems to an acceptable degree, analytical methods are usually not enough. One has to resort to discretization methods. For engineering problems, probably the best-known option is the finite element method (FEM). However, powerful alternatives such as mesh-free methods and Isogeometric Analysis (IGA) are also available. The fundamental idea is to approximate the solution of the PDE by means of functions specifically built to have some desirable properties. In this contribution, we explore Deep Neural Networks (DNNs) as an option for approximation. They have shown impressive results in areas such as visual recognition. DNNs are regarded here as function approximation machines. There is great flexibility to define their structure and important advances in the architecture and the efficiency of the algorithms to implement them make DNNs a very interesting alternative to approximate the solution of a PDE. We concentrate on applications that have an interest for Computational Mechanics. Most contributions explore this possibility have adopted a collocation strategy. In this work, we concentrate on mechanical problems and analyze the energetic format of the PDE. The energy of a mechanical system seems to be the natural loss function for a machine learning method to approach a mechanical problem. In order to prove the concepts, we deal with several problems and explore the capabilities of the method for applications in engineering.
dc.identifier.doi10.1016/j.cma.2019.112790
dc.identifier.issn0045-7825
dc.identifier.urihttps://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85077809695&origin=resultslist&sort=cp-f&src=s&st1=An+energy+approach+to+the+solution+of+partial+differential+equations+in+computational+mechanics+via+machine+learning&sid=56fda775f0a97cf33888c4bc21cb2704&sot=b&sdt=b&sl=131&s=TITLE-ABS-KEY%28An+energy+approach+to+the+solution+of+partial+differential+equations+in+computational+mechanics+via+machine+learning%29&relpos=0&citeCnt=265&searchTerm=
dc.language.isoes_ES
dc.sourceComputer Methods in Applied Mechanics and Engineering
dc.subjectDeep neural networks
dc.subjectEnergy approach
dc.subjectPhysics informed
dc.titleAn energy approach to the solution of partial differential equations in computational mechanics via machine learning: concepts, implementation and applications
dc.typeARTÍCULO
dc.ucuenca.afiliacionSamaniego, E., Universidad de Cuenca, Departamento de Recursos Hídricos y Ciencias Ambientales, Cuenca, Ecuador
dc.ucuenca.afiliacionAnitescu, C., Bauhaus Universitat Weimar, Weimar, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionGoswami, S., Bauhaus Universitat Weimar, Weimar, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionNguyen, V., Leibniz Universitat Hannover, Hannover, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionHongwei, G., Leibniz Universitat Hannover, Hannover, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionHamdia, K., Leibniz Universitat Hannover, Hannover, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionZhuang, X., Leibniz Universitat Hannover, Hannover, Alemania
dc.ucuenca.afiliacionRabczuk, T., Ton Duc Thang University, Ho Chi Mihn, Vietnam
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiamplio2. Ingeniería y Tecnología
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatidetallado2.3.1 Ingeniería Mecánica
dc.ucuenca.areaconocimientofrascatiespecifico2.3 Ingeniería Mecánica
dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio07 - Ingeniería, Industria y Construcción
dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado0715 - Mecánica y Metalurgia
dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico071 - Ingeniería y Profesiones Afines
dc.ucuenca.cuartilQ1
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dc.ucuenca.embargointerno2050-05-18
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dc.ucuenca.idautor0000-0002-7150-296X
dc.ucuenca.indicebibliograficoSCOPUS
dc.ucuenca.numerocitaciones0
dc.ucuenca.urifuentehttps://www.sciencedirect.com/journal/computer-methods-in-applied-mechanics-and-engineering
dc.ucuenca.versionVersión publicada
dc.ucuenca.volumenVolumen 362

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