Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng machine learning in predicting mechanical behavior of 3d printed beams with triply periodic minimal surface tpms sandwich cores

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng machine learning in predicting mechanical behavior of 3d printed beams with, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

Trường đại học

Ho Chi Minh University of Technology

Chuyên ngành

Civil Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

master thesis

2023

85
1
0

Phí lưu trữ

30 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn này tập trung vào việc sử dụng machine learning để dự đoán hành vi cơ học của các thanh in 3D gia cường với lõi sandwich có bề mặt TPMS (bề mặt cực tiểu tam tuần hoàn). Sự phát triển của công nghệ in 3D đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa các vật liệu và cấu trúc. Các cấu trúc xốp được thiết kế với hình dạng TPMS mang lại nhiều lợi ích về mặt cơ học, bao gồm khả năng chịu tải tốt và độ bền cao. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một mô hình machine learning có độ tin cậy cao để dự đoán hành vi của các thanh bê tông cốt thép gia cường bằng nhựa TPMS. Theo đó, nghiên cứu cũng sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hành vi của thanh, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa.

II. Mô hình TPMS và ứng dụng

Các cấu trúc TPMS được biết đến với khả năng phân tán tải trọng một cách hiệu quả. Chúng có thể tạo ra các không gian rỗng bên trong, giúp giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Lõi sandwich TPMS không chỉ giảm thiểu độ võng mà còn cải thiện độ bền của thanh bê tông khi chịu tải. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các lớp lõi TPMS có thể cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của thanh bê tông. Các ứng dụng của TPMS rất đa dạng, từ xây dựng đến y tế, và đặc biệt là trong các lĩnh vực cần cấu trúc nhẹ nhưng vẫn chịu được tải trọng lớn. Việc kết hợp giữa công nghệ in 3Dvật liệu composite giúp mở rộng khả năng ứng dụng của TPMS trong thực tiễn.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng hành vi của các thanh bê tông gia cường bằng lõi TPMS. Dữ liệu thu thập được từ các mô phỏng này sẽ được sử dụng để phát triển mô hình machine learning. Quá trình phát triển mô hình bao gồm ba bước: điều chỉnh siêu tham số, đánh giá hiệu suất mô hình ban đầu và xử lý quá khớp bằng các kỹ thuật học sâu. Kết quả cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa tỷ lệ thể tích và tải trọng cực đại của thanh, đồng thời cũng chỉ ra rằng có tồn tại một giá trị giới hạn mà các đặc tính không thể đạt được ở một tỷ lệ thể tích cụ thể. Mô hình cuối cùng được phát triển được xác nhận bởi các sai số tối đa giữa các dự đoán và kết quả FEM.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng mô hình machine learning có khả năng dự đoán chính xác hành vi của các thanh in 3D gia cường với lõi TPMS. Các dự đoán về tải trọng cực đại và độ lệch tối đa cho thấy mô hình có thể xử lý dữ liệu phức tạp từ FEM một cách hiệu quả. Thông qua việc điều chỉnh các tham số của mô hình, nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, cho thấy tiềm năng của việc áp dụng machine learning trong lĩnh vực xây dựng. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí trong quá trình thiết kế và kiểm tra các cấu trúc mới. Mô hình này có thể được sử dụng như một bản đồ thiết kế cho việc áp dụng TPMS trong các thanh bê tông trong tương lai.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã chỉ ra rằng việc sử dụng machine learning trong việc dự đoán hành vi cơ học của các thanh in 3D gia cường với lõi TPMS là khả thi và hiệu quả. Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển mới cho việc áp dụng công nghệ này trong ngành xây dựng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa mô hình và mở rộng ứng dụng của TPMS trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong thiết kế các cấu trúc mới, từ đó góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

09/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- TRAN QUOC KIM MACHINE LEARNING IN PREDICTING MECHANICAL BEHAVIOR OF 3D PRINTED BEAMS WITH TRIPLY PERIODIC MINIMAL SURFACE (TPMS) SANDWICH CORES Major: Civil Engineering Major ID: 8580201 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, JANUARY 2023 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- TRAN QUOC KIM MACHINE LEARNING IN PREDICTING MECHANICAL BEHAVIOR OF 3D PRINTED BEAMS WITH TRIPLY PERIODIC MINIMAL SURFACE (TPMS) SANDWICH CORES MÔ HÌNH MÁY HỌC TRONG DỰ ĐOÁN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA DẦM IN 3D GIA CƯỜNG LÕI SANDWICH BỀ MẶT CỰC TIỂU TAM TUẦN HOÀN Major: Civil Engineering Major ID: 8580201 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, January 2023 THIS THESIS IS ACCOMPLISHED AT HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCMC Supervisors: Dr. Nguyen Thi Bich Lieu Signature: Assoc. Luong Van Hai Signature: Examiner 1: Dr. Thai Son Signature: Examiner 2: Dr.

Nguyen Phu Cuong Signature: The master thesis is defended at Ho Chi Minh University of Technology – VNU HCMC on 13th January 2023. The thesis defense grading committee consists of: 1. Do Nguyen Van Vuong 2. Nguyen Thai Binh 3.

Nguyen Phu Cuong 5. Council Member: Assoc. Luong Van Hai Confirmations of the Chairman of thesis defense grading committee and the Dean of faculty of thesis major after the thesis has been corrected (if any). CHARIMAN OF DEAN OF FACULTY THESIS COMMITTEE FACULTY OF CIVIL ENGINEERING Assoc.

Do Nguyen Van Vuong i VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH UNIVERSITY Independence - Freedom - Happiness OF TECHNOLOGY MASTER THESIS ASSIGNMENTS Full name: Tran Quoc Kim Student ID: 2170979 Date of birth: 30/07/1999 Place of birth: Can Tho Major: Civil Engineering Major ID: 8580201 I. THESIS TITLE: Machine learning in predicting mechanical behavior of 3D printed beams with triply periodic minimal surface (TPMS) sandwich cores Mô hình máy học trong dự đoán ứng xử cơ học của dầm in 3D gia cường lõi sandwich bề mặt cực tiểu tam tuần hoàn II. THESIS ASSIGNMENTS AND CONTENTS: 1. Modeling the triply periodic minimal surface (TPMS) core reinforced beam, and comparing with experimental results; 2.

Collecting beam’s behavior data based on simulations while changing beam’s geometric properties; 3. Creating a machine learning model to predict mechanical behavior of the beams. DATE OF DELIVERING: 05/09/2022 IV. DATE OF COMPLETION: 27/12/2022 V.

Nguyen Thi Bich Lieu Assoc. Luong Van Hai Ho Chi Minh City, 6th March 2023 SUPERVISORS HEAD OF DEPARTMENT Dr. Nguyen Thi Bich Lieu Assoc. Luong Van Hai DEAN OF FACULTY FACULTY OF CIVIL ENGINEERING ii ACKNOWLEDGEMENT Having had the opportunity to study a master's program at the Vietnam National University Ho Chi Minh City – Bach Khoa University, I would like to express my sincere appreciation to the school administrators and departments for creating favorable conditions for me to complete the study program.

I also would like to express my gratitude to the lecturers of the Faculty of Civil Engineering who have always been dedicated to teaching and imparting useful knowledge. In addition, I would like to express my deep acknowledgements to Professor Nguyen Xuan Hung and the CIRTech Institute of Technology for giving me the opportunity to work with the excellent lecturers and colleagues at here. I would not be able to complete this thesis without the guidance of my supervisors Doctor Nguyen Thi Bich Lieu and Associate Professor Luong Van Hai. I would like to express my sincere gratitude to them.

Their orientations and suggestions are both the motivation and the objective to help me steady to complete the thesis. I am truly grateful to Vingroup Innovation Fund (VinIF) for the financial support during my research and implementation of the thesis under project code VINIF. Moreover, I would like to thank my family and friends for always supporting and encouraging me throughout the study and research process. Finally, I would like to wish my teachers, colleagues, family and friends good health, successfulness and happiness.

This thesis may have several shortcomings, so I would like to receive valuable comments from committee members and other students. My sincere thanks. Ho Chi Minh City, 6th March 2023 GRADUATE STUDENT TRAN QUOC KIM iii ABSTRACT (Presented in English) Bioinspired porous structures are highly porous structures with an outstanding strength-to-weight ratio. Their application has been applied in various fields such as aerospace and biomedical engineering, transportation, etc.

Recent research has indicated that 3D-printed plastic triply periodic minimal surfaces (TPMS) structure has tremendous impacts on cement beams, reducing maximum deflection, improving peak load, and enhancing ductility. This study proposes a machine learning (ML) surrogate model to predict beam behaviors subjected to a static bending load. To reinforce the considering beams, different combinations of core layer numbers and plastic volume fractions are adopted. Their influences are investigated using the Finite Element Method (FEM).

Consequently, the gathered data are used to develop the ML model through a three-phase assessment to achieve the most appropriate model for the present problem. This assessment consists of model hyperparameter tuning, first performance assessment, and overfitting handling with Deep Learning (DL) techniques. The results indicate a proportional relationship between the volume fraction and the beam peak load as well as the maximum deflection while increasing the number of TPMS layers enhances these properties nonlinearly. Additionally, from the model predictions, there might be a limit value that each trait cannot achieve at a specific volume fraction with any number of layers.

The final model developed in this study is verified by the maximum deviations between FEM and predictions for peak loads and maximum deflections, that are 2. A new early stopping condition can maximize the final model performances on both train and test data, therefore verifying the model's reliability in handling noisy data from FEM. iv TÓM TẮT LUẬN VĂN (Trình bày bằng tiếng Việt) Cấu trúc xốp được lấy cảm hứng từ sinh học là cấu trúc có độ xốp cao và tỉ lệ cường độ trên trọng lượng lớn. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, kỹ thuật sinh học, giao thông vận tải, vv.

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng cấu trúc bề mặt cực tiểu tam tuần hoàn (TPMS) bằng nhựa in 3D có tác động to lớn đến các dầm xi măng, giảm độ võng cực đại, cải thiện tải trọng giới hạn, và tăng cường độ dẻo dai. Nghiên cứu này đề xuất một mô hình thay thế máy học (ML) để dự đoán hành vi của dầm chịu tải uốn tĩnh. Để gia cố các dầm, nhiều kết hợp khác nhau của số lớp lõi và tỉ lệ thể tích nhựa được áp dụng. Ảnh hưởng của chúng được khảo sát bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Từ đó, dữ liệu được thu thập được sử dụng để phát triển mô hình ML thông qua phương pháp đánh giá ba bước để tìm ra được mô hình phù hợp nhất cho vấn đề hiện tại. Đánh giá này bao gồm điều chỉnh siêu tham số của mô hình, đánh giá hiệu quả mô hình đầu và xử lý quá khớp bằng các kỹ thuật học sâu (DL). Kết quả cho thấy mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa tỉ lệ thể tích và tải trọng giới hạn của dầm cũng như độ lệch tối đa trong khi tăng số lớp TPMS cải thiện các tính chất này một cách phi tuyến. Ngoài ra, các dự đoán của mô hình chứng minh được tồn tại giá trị giới hạn mà mỗi đặc điểm không thể đạt được ở một tỉ lệ thể tích cụ thể với bất kỳ số lớp nào.

Mô hình cuối cùng được phát triển trong nghiên cứu này được kiểm chứng bằng các sai số tối đa giữa FEM và các dự đoán cho tải cực đại và độ lệch tối đa, lần lượt là 2,5% và 3,5%. Một điều kiện dừng sớm mới có thể tối đa hóa hiệu quả mô hình trên cả hai tập dữ liệu huấn luyên và kiểm thử, qua đó chứng minh độ tin cậy của mô hình đối với các dữ liệu phức tạp từ FEM. v COMMITMENT I hereby declare that this thesis entitled "Machine learning in predicting mechanical behavior of 3D printed beams with triply periodic minimal surface (TPMS) sandwich cores” is my research work. All sources referenced are properly and fully cited.

The research data and results in this thesis are guaranteed to be honest and have never been used to defend any other theses. I will take full responsibility for this statement. Ho Chi Minh City, 6th March 2023 GRADUATE STUDENT TRAN QUOC KIM vi TABLE OF CONTENTS MASTER THESIS ASSIGNMENTS .v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF ABBREVIATIONS.

viii LIST OF TABLES AND CHARTS. ix LIST OF FIGURES. Research objective and contents. Research object and scope.

Triply periodic minimal surface structures. Triply periodic minimal surface. Applications of TPMS. TPMS-reinforced beam.

Cement beam with 3D printed TPMS core. Effectiveness of TPMS core. Finite element analysis simulation. Machine learning model.

Introduction to machine learning. Artificial neural networks. RESULTS AND DISCUSSIONS. Finite element method process.

Mesh convergence study. Impact of TPMS-core properties. Machine learning process. Model hyperparameter tuning.

Best model predictions. CONCLUSION AND RESEARCH DEVELOPMENT DIRECTION. Research development direction .64 LIST OF PUBLICATIONS .70 viii LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviation Meaning MS Minimal Surface TPMS Triply Periodic Minimal Surface SCDP Simplified Cementitious Damage Plasticity AM Additive Manufacturing FEM Finite Element Method FEA Finite Element Analysis FSDT First-order Shear Deformation Theory AI Artificial Intelligence ML Machine Learning DL Deep Learning ANN Artificial Neural Networks ix LIST OF TABLES AND CHARTS Table 3. The investigating TPMS beams’ geometric descriptions and labels [1].

The core parameters of the investigating beams [1]. The mixture of the cementitious mortar [19]. Mechanical characteristics of the cement material [19]. The SCDP model parameters of the cement material [19].

Mechanical characteristics of the ABS plastic material [19]. The properties of C3D4 and S3/S3R elements. The dataset adopted in the proposed three-phase process for conducting the final surrogate model [1]. The model properties that were used in this thesis ML process [1].

The FEA results of the investigating TPMS-reinforced beams with both peak loads and maximum deflections [1]. The ANN hyperparameters investigated in the model architecture tuning and the optimization tuning processes [1]. The first three greatest ANN results for the validation loss with the ‘Adam’ optimizer [1]. The first three greatest ANN results for the computational time along with a validation loss being less than 0.01 and ‘Adam’ optimizer [1].

Validation losses and training times of various models with different stop patience values and optimizers [1]. Assessment values of the hyperparameter tuned model [1]. The assessment values of the final model [1].57 x LIST OF FIGURES Figure 3. Classical minimal surfaces: a) Catenoids, and b) Helicoids (from https://wikipedia.

Typical TPMS structures: a) Primitive, b) Gyroid, c) I-graph and wrapped package-graph, and d) Diamond. a) Network-based, b) skeletal-based, and c) sheet-based Primitive solids. The nature-inspired TPMSs, a)-d) the butterfly wing with Gyroid geometry, e) the micro Fischer-Koch structure of nano-porous gold, and f) the sea urchin microstructure with the appearance of Primitive TPMS [31]. The specimen of the plastic 3D printed TPMS-reinforced beam before and after filled with cement [20].

The stress-strain curves of a) one-TPMS-layer reinforced beam and b) two-TPMS-layer reinforced beam [19]. The stress-strain curves of various beam schemes including the plain cement beam, the ABS-mold cement beam, and the TPMS-reinforced cement beam [19]. The crack propagations of a) one, and b) two-layer TPMS -reinforced beam with 25% and 100% bending load [19]. The configuration of the three-layer TPMS-reinforced beam.

Parameters of a Primitive sheet-based TPMS unit. The three-layer TPMS-reinforced beam’s simulation under the three- point bending test [1].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài luận văn thạc sĩ mang tiêu đề Luận văn thạc sĩ: Dự đoán hành vi cơ học của thanh in 3D sử dụng machine learning với lõi sandwich TPMS của tác giả Trần Quốc Kim, dưới sự hướng dẫn của Dr. Nguyễn Thị Bích Liêu và PGS. Lương Văn Hải, được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM năm 2023. Bài nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng công nghệ machine learning để dự đoán hành vi cơ học của thanh in 3D với lõi sandwich TPMS. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và sản xuất mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực kỹ thuật dân dụng và xây dựng.

Để mở rộng kiến thức về các ứng dụng liên quan trong ngành kỹ thuật xây dựng, bạn có thể tham khảo thêm bài viết Luận văn thạc sĩ về ổn định tuyến đê bao trên nền đất yếu ở Bạc Liêu - Cà Mau, nơi nghiên cứu về sự ổn định của các công trình trên nền đất yếu, hoặc bài viết Luận văn thạc sĩ về xử lý đất yếu nền đường tại đoạn nối Cao Lãnh - Vàm Cống, đề cập đến các phương pháp xử lý đất yếu trong xây dựng. Cả hai tài liệu này đều liên quan đến việc áp dụng công nghệ và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực xây dựng, giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về các kỹ thuật hiện đại trong ngành.