Multi-scale simulations of nonlinear heterogeneous materials and composites are challenging due to the prohibitive computational costs of high-fidelity simulations. Recently, machine learning (ML) based approaches have emerged as promising alternatives to traditional multiscale methods. However, existing ML surrogate constitutive models struggle in capturing long-range dependencies and generalization across microstructures. The recent advancements in attention-based Transformer architectures open the door to a more powerful class of surrogate models. Attention mechanism has demonstrated remarkable capabilities in natural language processing and computer vision. In this work, we introduce a surrogate (meta) model, namely ViT-Transformer, using a Vision Transformer (ViT) encoder and a Transformer-based decoder which are both driven by the self-attention mechanism. The ViT encoder extracts microstructural features from material images, while the decoder is a masked Transformer encoder that combines the latent geometrical features with the macroscopic strain input sequence to predict the corresponding stress response. To enhance training, we propose a random extract training algorithm that improves robustness to sequences of variable length. We design and construct a compact yet diverse dataset via data augmentation, and validate the surrogate model using various composite material images and loading scenarios. Several numerical examples are provided to show the effectiveness and accuracy of the ViT-Transformer model and the training algorithm.


翻译:非线性异质材料与复合材料的跨尺度模拟因其高保真仿真所需的巨大计算成本而极具挑战。近年来,基于机器学习的方法已成为传统多尺度方法的有前景的替代方案。然而,现有的机器学习代理本构模型难以捕捉长程依赖关系并在不同微观结构间实现泛化。近期基于注意力的Transformer架构的进展为构建更强大的一类代理模型打开了大门。注意力机制已在自然语言处理和计算机视觉领域展现出卓越能力。在本工作中,我们引入一种代理(元)模型,即ViT-Transformer,它采用由自注意力机制驱动的Vision Transformer编码器与基于Transformer的解码器。ViT编码器从材料图像中提取微观结构特征,而解码器是一个掩码Transformer编码器,它将潜在的几何特征与宏观应变输入序列相结合,以预测相应的应力响应。为增强训练,我们提出一种随机提取训练算法,该算法提升了对可变长度序列的鲁棒性。我们通过数据增强设计并构建了一个紧凑而多样化的数据集,并使用多种复合材料图像和加载场景验证了该代理模型。多个数值算例展示了ViT-Transformer模型及训练算法的有效性与准确性。

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