拡張低ランク近似による異種材料の弾性応答学習の高速化

拡張低ランク近似による異種材料の弾性応答学習の高速化

なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。

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arXiv:2509.20276v1発表。概要:異種材料の微細構造が機械的応答をどのように支配するかを予測することは、設計と性能の最適化に不可欠である。しかし、微細構造の特徴が複雑で高次元であるため、この課題は依然として困難である。物理に基づくシミュレーションを用いて微細構造空間を調べることは、計算上非常に困難である。このため、機械的挙動を支配する構造特性間の関係を効率的に学習するための計算ツールの開発が必要となる。現代のデータ駆動型アプローチは新たな可能性を提供する一方で、多くの場合、大規模なデータセットを必要とする。この課題に対処するため、本研究では、Canonical Polyadic Tensor Decompositionを用いたExtended Low Rank Approximation (xLRA)フレームワークを提示する。これは、高次項を適応的に組み込むことで、高次元の微細構造情報を局所的な弾性応答に効率的にマッピングする。xLRAは、多孔質微細構造における局所的な弾性歪み場を正確に予測し、最大ランクはわずか4である。xLRAのコンパクトな定式化により、データセットのわずか5%で学習した場合でも正確な予測が達成され、大幅なデータ効率が実証される。さらに、xLRAは、二相複合材料や単相および二相多結晶を含む代表的な材料系で結果を提供することにより、転移可能性を示す。コンパクトであるにもかかわらず、xLRAは重要な微細構造の詳細を保持しており、未知の微細構造に関する正確な予測を可能にする。ベンチマークテストでは、xLRAは予測精度、汎化性能、計算効率において、既存の方法を上回り、浮動小数点演算回数は6桁少ない。要約すると、xLRAは微細構造から弾性応答を予測するための効率的なフレームワークを提供し、構造特性間の関係のマッピングをスケーラブルにする。

原文(英語)を表示

Title (EN): Extended Low-Rank Approximation Accelerates Learning of Elastic Response in Heterogeneous Materials

arXiv:2509.20276v1 Announce Type: new
Abstract: Predicting how the microstructure governs the mechanical response of heterogeneous materials is essential for optimizing design and performance. Yet this task remains difficult due to the complex, high dimensional nature of microstructural features. Relying on physics based simulations to probe the microstructural space is computationally prohibitive. This motivates the development of computational tools to efficiently learn structure property linkages governing mechanical behavior. While contemporary data driven approaches offer new possibilities, they often require large datasets. To address this challenge, this work presents the Extended Low Rank Approximation (xLRA), a framework that employs canonical polyadic tensor decomposition. It efficiently maps high dimensional microstructural information to the local elastic response by adaptively incorporating higher rank terms. xLRA accurately predicts the local elastic strain fields in porous microstructures, requiring a maximum rank of only 4. The compact formulation of xLRA achieves accurate predictions when trained on just 5% of the dataset, demonstrating significant data efficiency. Moreover, xLRA proves transferability by delivering results across representative material systems, including two phase composites and single and dual phase polycrystals. Despite being compact, xLRA retains essential microstructural details, enabling accurate predictions on unseen microstructures. Benchmarking shows that xLRA outperforms contemporary methods in predictive accuracy, generalizability, and computational efficiency, while requiring 6 orders of magnitude fewer floating point operations. In summary, xLRA provides an efficient framework for predicting the elastic response from microstructures, enabling scalable mapping of structure property linkages.

Published: 2025-09-24 19:00 UTC


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