Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAIWir verwenden modernste Methoden des maschinellen Lernens, und adaptieren diese speziell für die Analyse von CAE-Daten. Der SimExplore-Workflow besteht aus zwei Schritten, wobei auf einen Offline-Batch-Prozess eine interaktive Exploration und Analyse folgt. Der Ansatz ist als eigenständiges Werkzeug verfügbar und für die Integration in andere Software-Clients konzipiert.
SimExplore – Ein vom Fraunhofer SCAI entwickeltes Werkzeug, das CAE-Ingenieure bei der Produktentwicklung unterstützt und ihnen die tägliche Arbeit enorm erleichtert.
Ermittlung stark beeinflusster Bauteile
Im SimExplore Ablauf kann man zunächst optional SCAI‘s Werkzeug SimCompare verwenden, um alle Simulationen mit einer Referenzsimulation zu vergleichen. Diese Analyse, die Änderungen im Verhalten von Verformungen oder anderen Gitterfunktionen ermittelt, wird für alle Bauteile durchgeführt. Die am stärksten betroffenen Bauteile aller paarweisen Vergleiche können anhand eines benutzerdefinierten Schwellenwerts gesammelt und dann für die weitere Analyse ausgewählt werden. Alternativ können auch benutzerdefinierte Bauteile von Interesse in die Analyse einbezogen werden.
Geometrie-basierte Darstellung
Wir verwenden unsere spezialisierten, patentierten Verfahren zur Dimensionsreduktion, um geometrische Merkmale zu berechnen, die Verschiebungen oder Gitterfunktionen der ausgewählten Bauteile darstellen. Anhand dieser geometrischen Merkmale wird ein Cluster-Algorithmus zur Identifizierung von Clustern und Ausreißern angewendet. Da die berechneten Merkmale nur von der Geometrie abhängen, können sie für vergleichende Analysen ab bereits zwei Simulationen verwendet werden, was einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Ansätzen des maschinellen Lernens darstellt.
Identifizierung von Simulationen oder Bauteilen mit der größten Abweichung
Um den Prozess der Identifizierung von Ausnahmen weiter zu automatisieren, wird für jede Simulation ein Ausreißer-Kennwert berechnet. Der Ausreißer-Kennwert basiert hauptsächlich auf dem Abstand der Simulation vom Cluster-Mittelwert in Bezug auf die Verformungen oder andere ausgewählte Gitterfunktionen. Nach einer Aggregation über alle Zeitschritte und einer Normalisierung ermöglicht der Ausreißer-Kennwert eine Rangfolge der Simulationen hinsichtlich ihrer Abweichungen von den anderen analysierten Simulationen. Zusätzlich zu einem Kennwert pro Simulation haben wir einen Bauteil-Kennwert entwickelt, der dazu dient, Muster in den Abweichungen pro Bauteil über alle Simulationen und alle Zeitschritte zu finden.
Ein Optimierungsalgorithmus wählt unter Verwendung der geometrischen Merkmale
eine geeignete Darstellung pro Bauteil und Zeitschritt, die die beste Gesamtaufteilung in Clustern ergibt. Auf dieser Grundlage berechnen wir einen Kennwert, der für den Ingenieur
interessante Zeitschritte für die Ähnlichkeitsanalyse hervorhebt.
Interaktive Exploration
Die interaktive SimExplore-Komponente ermöglicht es dem Benutzer, verschiedene Bauteile oder Bauteilkombinationen fließend zu analysieren. Die visuelle Darstellung der Simulationen als Punkte in einem Streudiagramm bietet einen intuitiven Überblick über die Ähnlichkeiten und Ausnahmen in den Simulationen in Bezug auf die gewählten Funktionen. Der Benutzer kann jede Funktion und jedes Bauteil für eine detaillierte interaktive Analyse auswählen. Ein Klick auf eine Simulation in der Visualisierung zeigt sofort das entsprechende Bauteil und die zugehörige Gitterfunktion in einer 3D-Vorschau an, was eine einfache Erkundung der Simulationsergebnisse ermöglicht. Zusätzliche Informationen für eine bestimmte Simulation oder ein Bauteil können interaktiv abgerufen werden, einschließlich eines direkten Links zum GNS Animator.
Design Variationen
SCAI‘s Werkzeug ModelCompare identifiziert die Änderungen in einem gegebenen Modell im Vergleich zu einem vorausgewählten Modell, z.B. der Referenz oder dem Vorgänger. Die erhaltenen Entwurfsvariationen können bei der Erkundung der Cluster-Ergebnisse im interaktiven Teil von SimExplore verwendet werden, wodurch ein ganzheitlicher Ansatz zur Bewertung der Folgen von Entwurfsmaßnahmen entsteht.
Batch-Datenverarbeitung und interaktive Analyse
Der Arbeitsablauf gliedert sich in einen rechenintensiven nicht-interaktiven Teil und einen interaktiven Explorationsteil. Die Offline-Verarbeitung umfasst beispielsweise die Bestimmung der am stärksten betroffenen Bauteile, die Berechnung der geometriebasierten Datenrepräsentation oder die Vorberechnung zusätzlicher Informationen für die spätere visuelle Exploration. Zusätzlich können neue Simulationen mit geringem Rechenaufwand zu einer bestehenden explorativen Analyse hinzugefügt werden. Die Arbeitsschritte von SimExplore können eigenständig genutzt werden oder in ein beliebiges Simulationsdaten-Management-System integriert werden.
Vorteile für den Benutzer
Insgesamt bietet SimExplore eine automatische Identifizierung von Clustern und Erkennung von Ausreißern, kombiniert mit einer schnellen Visualisierung und interaktiven Analyse für viele Simulationen. Die Möglichkeit, direkt mit dem bevorzugten Postprozessor zu arbeiten, erleichtert die detaillierte Analyse der identifizierten speziellen Simulationen. Die berechneten Ähnlichkeitsinformationen ermöglichen einen Überblick über viele Simulationsergebnisse, wobei die Integration von Modellvariationen die Überprüfung entsprechender Designänderungen erlaubt - ein Meilenstein in der Art und Weise, wie Postprocessing und Simulationsdatenanalyse durchgeführt werden können.
Eine Exploration vieler Simulationen und eine schnelle 3D-Vorschau wird mit unserer Methodik zur Dimensionsreduktion möglich. Eine solche Darstellung hilft beim Clustern vieler Simulationen und der Erkennung von Ausreißern, dies führt zu einer erheblichen Beschleunigung bei der CAE-Datenanalyse.