Сложности традиционного подхода к моделированию
Процесс разработки изделия в наши дни в значительной мере опирается на математическое моделирование, которое используется для проверки работоспособности конструкции на ранних этапах до перехода к изготовлению физического прототипа. Однако, традиционный рабочий процесс моделирования сталкивается с некоторыми сложностями: каждая итерация проектирования требует нескольких часов или дней (а то и недель) вычислительного времени, инженеры должны выполнить большое число расчётов для получения оптимальной конструкции, а сложность инструментов моделирования не позволяет выполнять расчёты специалистам без опыта работы в них. В результате процесс разработки может сильно затянуться и тем самым увеличится время выхода изделия на рынок.
Технологии искусственного интеллекта используются уже в практически во всех сферах нашей жизни – инженерное моделирование не исключение. В данной статье мы рассмотрим новый подход для ускорения процесса выпуска изделия – и Ansys SimAI создан именно для этого.
Что такое Ansys SimAI?
Ansys SimAI – это изначально облачная, нейтральная к физике платформа, которая использует результаты предыдущих расчётов для обучения прогностических моделей, способных предсказывать результаты расчётов за секунды (максимум минуты) для задач, на решение которых уходят часы, дни или даже недели.
Платформа построена на простой идее: инженерные команды уже выполнили большое количество высокоточных расчётов в процессе работы над проектом. SimAI использует эти данные в качестве исходных и обучает модели deep learning, которые в результате становятся способны предсказывать эффективность новых вариантов конструкции практически моментально.
Важно отметить, что SimAI не привязан к определённому типу физики или определённому программному продукту. Он работает с 3D результатами расчётов любых решателей (не обязательно ANSYS) в практически любых направлениях – как вычислительная гидродинамика, прочностной анализ, электромагнетизм или оптика.
Как это работает
Рекомендуемый рабочий процесс SimAI состоит из трёх основных этапов:
- Обучение. Пользователь загружает существующие результаты расчётов в нейтральном формате на платформу. Для работы необходимо подготовить текстовый файл с граничными условиями задачи (.json) и файл с результатами расчёта (интересующими полями) в формате .vtp или .stl. Далее необходимо определить необходимые входные и выходные переменные и запустить процесс обучения.
Процесс обучения здесь – это самый затратный по времени этап. В зависимости от расчётных ресурсов, количества импортированных данных и переменных процесс может длиться от нескольких минут до нескольких дней. По завершении обучения пользователь получает отчёт об оценке модели, включающий метрики обучающих и тестовых данных. - Исследование. После того как модель обучена – её можно использовать для оценки новых дизайнов конструкции. Результаты, включающие поверхностные полевые переменные и глобальные коэффициенты, становятся доступными в течение нескольких мгновений.
- Валидация. Наиболее перспективные, по результатам ИИ-модели, варианты обязательно необходимо перепроверить, выполнив расчёт в полной постановке с использованием высокоточного решателя, чтобы убедиться в корректности результатов прогноза.
Сферы/Примеры применения
Способность SimAI работать с любым типом физики делает его применимым для широкого спектра промышленных задач:
- Газодинамика – от классических задач аэродинамики до терморегулирования и охлаждения электроники
- Прочностной анализ – анализ напряжений и деформаций, генеративный дизайн, пластичность и краш-тесты
- Электромагнетизм – проектирование антенн, анализ печатных плат, оценка размещения магнитов
- Оптика – проектирование фар и оценка оптических характеристик
Реальные примеры демонстрируют впечатляющие результаты: прогнозы результатов задач внешней аэродинамики, для решения которых, например, требуется 5 часов на 200 узлах, с SimAI получаются за 30 секунд; краш-тест, который занимал три часа, теперь прогнозируется за 1 минуту.
1 – смятие бампера, 2 – форма корпуса судна, 3 — антенная решётка, 4 – освещённость
Основные особенности
Скорость и масштаб. SimAI позволяет получать предварительные результаты от 10× до 100× быстрее за счёт использования имеющихся результатов расчётов, позволяя инженерам оптимизировать до 20 раз больше переменных чем при работе традиционными подходами.
Не нужно быть экспертом. SimAI предлагает простой и интуитивно понятный интерфейс, не требующий от пользователя навыков программирования, знания алгоритмов машинного обучения или глубокого понимания физики решаемой задачи. Простой процесс взаимодействия с программой и настройки проекта существенно расширяет круг потенциальных пользователей: к выполнению расчётов могут подключаться менеджеры, руководители, молодые специалисты, а также инженеры смежных подразделений — например, для проведения предварительных или черновых расчётов на ранних стадиях проектирования.
Возможность работы с ограниченным объёмом исходных данных. Для получения достоверных результатов требуется много времени и ресурсов, а в нашем случае каждая точка набора обучающих данных — это результат отдельного полноценного расчёта. Минимально достаточный объём данных при этом напрямую зависит от сложности моделируемой физики в конкретной задаче. SimAI разработан с учётом обеспечения возможности построения высококачественной модели на относительно небольших выборках, но очевидно, что чем больше данных для обучения – тем точнее будут выходные результаты.
Два варианта лицензирования
Ansys SimAI доступен в двух вариациях в зависимости от требуемых масштабов расчётных проектов предприятия:
SimAI Pro – десктопное приложение, предназначенное для работы исключительно на локальных ресурсах расчётной машины. Данные не покидают пользовательский компьютер, что делает инструмент идеально подходящим предприятиям со строгой политикой конфиденциальности. Для прогноза доступны трёхмерные поля параметров на поверхностях и вычисляемые скалярные величины. Рекомендуемые системные требования: Windows 11 с 32 GB RAM и NVIDIA GPU с минимум 8–16 GB VRAM. Процесс обучения масштабируется с увеличением производительности расчётной машины – чем больше VRAM и чем быстрее ядра – тем быстрее будет выполнено обучение модели.
SimAI Premium расширяет возможности платформы, перенося работу в более производительную облачную среду, доступ к которой пользователь получает через веб-графический интерфейс. Также появляется возможность работать не только с поверхностными, но и объёмными полями. Данный вариант программы понадобится пользователям, желающих обрабатывать больше количество задач одновременно.
Заключение
Ansys SimAI предлагает новый подход к компьютерному моделированию в рамках производственного процесса. Использование быстрых и достоверных AI моделей позволяет инженерам быстрее принимать решение о годности конструкции, а коллегам из других подразделений выполнять предварительные расчёты, что неизбежно приводит к сокращению времени выхода изделия на рынок. SimAI – уникальный инструмент, позволяющий использовать инструменты ИИ в выполнении практически моментальных расчётов без потери точности результатов.
