基于深度学习与有限元耦合框架的热塑性硫化胶力学行为
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1.上海工程技术大学 机械与汽车工程学院,上海 201620;2.四川大学 高分子科学与工程学院,四川 成都 610065

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Mechanical Properties of Thermoplastic Vulcanizates Based on a Deep Learning-Finite Element Coupled Framework
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    摘要:

    由于热塑性硫化胶(TPV)细观结构高度复杂、构成相多样,传统本构模型难以精确刻画其应力-应变关系,限制了其在力学建模与预测中的应用效果。为克服该问题,本研究提出了一种融合深度学习与有限元分析的建模框架。该框架通过将深度学习模型嵌入有限元高斯积分点,以应变为输入、预测应力,以数据驱动的深度学习模型近似替代显式本构关系,从而简化有限元计算过程,实现了TPV力学行为的高效模拟。考虑TPV材料在受力过程中的历史依赖性,选择GRU模型进行训练,并通过单轴拉伸及压缩模拟验证了所提框架的可行性。基于该框架的分析结果,分析了TPV在不同载荷情况下的应力-应变演变。与传统有限元方法相比,该框架可以准确且高效地捕捉TPV的应力。该研究为理解和预测TPV材料的力学性能提供了新的技术路径。

    Abstract:

    Thermoplastic vulcanizates (TPV) possess highly complex microstructures and heterogeneous phase compositions, making it difficult for traditional constitutive models to accurately capture their stress–strain relationships. This limitation significantly hinders the effectiveness of conventional mechanical modeling and predictive analysis. To overcome this challenge, the present study proposed a novel modeling framework that has integrated deep learning with finite element analysis. Within this framework, deep learning models was embedded into the Gaussian integration points of the finite element mesh to predict stress directly from strain, effectively replacing complex constitutive equations and enabling the efficient simulation of TPV mechanical behavior. Recognizing the history-dependent nature of TPV under loading, GRU model was employed for training purposes. The feasibility of the proposed framework was validated through simulations of uniaxial tension and compression. Based on the simulation results, the stress–strain evolution of TPV under various loading conditions was analyzed. Compared with conventional finite element methods, the proposed approach can accurately and efficiently capture the stress responses of TPV. This research provides a novel method for understanding and predicting the mechanical properties of TPV materials.

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  • 收稿日期:2025-06-30
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