Finite Element Analysis (FEA) is a powerful but computationally intensive method for simulating physical phenomena. Recent advancements in machine learning have led to surrogate models capable of accelerating FEA. Yet there are still limitations in developing surrogates of transient FEA models that can simultaneously predict the solutions for both nodes and elements with applicability on both the 2D and 3D domains. Motivated by this research gap, this study proposes DeepFEA, a deep learning-based framework that leverages a multilayer Convolutional Long Short-Term Memory (ConvLSTM) network branching into two parallel convolutional neural networks to predict the solutions for both nodes and elements of FEA models. The proposed network is optimized using a novel adaptive learning algorithm, called Node-Element Loss Optimization (NELO). NELO minimizes the error occurring at both branches of the network enabling the prediction of solutions for transient FEA simulations. The experimental evaluation of DeepFEA is performed on three datasets in the context of structural mechanics, generated to serve as publicly available reference datasets. The results show that DeepFEA can achieve less than 3% normalized mean and root mean squared error for 2D and 3D simulation scenarios, and inference times that are two orders of magnitude faster than FEA. In contrast, relevant state-of-the-art methods face challenges with multi-dimensional output and dynamic input prediction. Furthermore, DeepFEA's robustness was demonstrated in a real-life biomedical scenario, confirming its suitability for accurate and efficient predictions of FEA simulations.


翻译:有限元分析(FEA)是一种功能强大但计算密集的物理现象模拟方法。机器学习的最新进展催生了能够加速FEA的代理模型。然而,在开发瞬态FEA模型的代理模型方面仍存在局限,这些模型需要能同时预测节点和单元的求解结果,并适用于二维和三维域。针对这一研究空白,本研究提出了DeepFEA,一种基于深度学习的框架。该框架利用多层卷积长短期记忆(ConvLSTM)网络,分支为两个并行的卷积神经网络,以预测FEA模型的节点和单元求解结果。所提出的网络采用一种新颖的自适应学习算法——节点-单元损失优化(NELO)进行优化。NELO最小化网络两个分支的误差,从而实现对瞬态FEA模拟求解的预测。DeepFEA的实验评估在结构力学领域的三个数据集上进行,这些数据集已公开作为参考基准。结果表明,在二维和三维模拟场景中,DeepFEA的归一化平均误差和均方根误差可低于3%,且推理速度比FEA快两个数量级。相比之下,相关的先进方法在多维输出和动态输入预测方面面临挑战。此外,DeepFEA在真实生物医学场景中展现了其鲁棒性,证实了其适用于FEA模拟的准确高效预测。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Anomalous Instance Detection in Deep Learning: A Survey
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员