零基础怎么学习PINN(基于物理信息的神经网络)?
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发布时间：2024-05-13 21:07
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时间：2024-05-31 21:53
对于零基础想要涉足的PINN（基于物理信息的神经网络）领域，弹性力学问题的解构是一个很好的起点。传统的力学问题，如动量守恒的平衡方程、小形变理论的几何方程以及胡克定律的物理方程，曾依赖大量训练数据和繁琐的数值方法。然而，PINN的出现革新了这一领域，它巧妙地将深度学习与物理约束结合，如偏微分方程（PDE）和边界条件，为固体力学问题的求解提供了全新路径。
比如，Haghighat等人在Pytorch框架下实现了高效且通用的PINN，能够处理线性弹性与超弹性等复杂问题，显著降低了对训练样本的依赖，对于科学计算和工程设计的实践具有重要意义，这使得理论模型与实际应用之间的桥梁得以简化。
W. Abueidda和同行们通过PINN深入研究了超弹性和冯·米塞斯塑性问题的材料形变，Qin等人则提出了元学习和PINN的创新结合，进一步提升了超弹性求解的精度。尽管PINN以其物理驱动的特性表现出色，但与传统数值方法相比，求解效率还有待优化。PINN的核心理念是构建神经网络来模拟PDE，损失函数融合了PDE、边界条件、初始条件和数据损失，从而实现精确的预测。
以弹性平面应变问题为例，PINN不仅能够求解正向问题，即预测位移、应力和应变，还能反向求解，提供误差接近真实值的解决方案。多网络和多输出的PINN架构在解决线弹性方程时表现出了强大的威力，为工程问题的解决提供了全新的解算策略。
PINN的广泛应用领域正在不断扩展，如Yu和Hesthaven利用神经网络重构流场，Ghaboussi和Sidarta则探讨了微结构对材料性能的预测。从金属增材制造到土壤水流动，PINN的物理驱动方法正在推动各行业迈向更高效、精确的计算方法。而Raissi等人在《科学》杂志上发表的《隐藏的流体力学》更是将PINN的影响力提升到了全新的高度。
尽管PINN的挑战依然存在，如效率提升和复杂问题的处理，但它的潜力和前景无疑为科学计算和工程设计领域带来了革命性的变革。随着研究的深入和实践的积累，我们期待PINN在未来在解决弹性力学问题和其他科学问题上发挥更大的作用。
