Understanding and predicting microstructure evolution is fundamental to materials science, as it governs the resulting properties and performance of materials. Traditional simulation methods, such as phase-field models, offer high-fidelity results but are computationally expensive due to the need to solve complex partial differential equations at fine spatiotemporal resolutions. To address this challenge, we propose a deep learning-based framework that accelerates microstructure evolution predictions while maintaining high accuracy. Our approach utilizes a fully convolutional spatiotemporal model trained in a self-supervised manner using sequential images generated from simulations of microstructural processes, including grain growth and spinodal decomposition. The trained neural network effectively learns the underlying physical dynamics and can accurately capture both short-term local behaviors and long-term statistical properties of evolving microstructures, while also demonstrating generalization to unseen spatiotemporal domains and variations in configuration and material parameters. Compared to recurrent neural architectures, our model achieves state-of-the-art predictive performance with significantly reduced computational cost in both training and inference. This work establishes a robust baseline for spatiotemporal learning in materials science and offers a scalable, data-driven alternative for fast and reliable microstructure simulations.


翻译:理解与预测微观结构演化是材料科学的基础,因为它决定了材料的最终性能与表现。传统模拟方法(如相场模型)能够提供高保真结果,但由于需要在精细时空分辨率下求解复杂的偏微分方程,计算成本高昂。为应对这一挑战,我们提出一种基于深度学习的框架,在保持高精度的同时加速微观结构演化预测。我们的方法采用全卷积时空模型,通过使用微观结构过程(包括晶粒生长和旋节分解)模拟生成的序列图像进行自监督训练。训练后的神经网络能有效学习潜在的物理动力学,精确捕捉演化微观结构的短期局部行为与长期统计特性,同时展现出对未见时空域以及构型与材料参数变化的泛化能力。与循环神经网络架构相比,我们的模型以显著降低的训练和推理计算成本实现了最先进的预测性能。本研究为材料科学中的时空学习建立了稳健的基准,并为快速可靠的微观结构模拟提供了一种可扩展的数据驱动替代方案。

0
下载
关闭预览

相关内容

物理学中的高级深度学习
专知会员服务
20+阅读 · 2025年12月9日
【HKUST博士论文】迈向可扩展且具泛化能力的时空预测
专知会员服务
18+阅读 · 2025年6月27日
深度预测学习:模型与应用
专知会员服务
49+阅读 · 2022年12月5日
专知会员服务
84+阅读 · 2020年12月18日
<好书推荐> -《Pro Deep Learning with TensorFlow》分享
深度学习与NLP
12+阅读 · 2018年9月13日
什么是深度学习的卷积?
论智
18+阅读 · 2018年8月14日
回归预测&时间序列预测
GBASE数据工程部数据团队
44+阅读 · 2017年5月17日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《新兴技术武器化及其对全球风险的影响》
专知会员服务
8+阅读 · 4月29日
《帕兰泰尔平台介绍:信息分析平台》
专知会员服务
19+阅读 · 4月29日
智能体化世界建模:基础、能力、规律及展望
专知会员服务
11+阅读 · 4月28日
相关基金
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员