AI/ML+FEA，可以”優化”和”預測”您的工程設計，徹底革新傳統模擬工作流程。Hexagon的機器學習軟體-ODYSSEE CAE能和Marc/Mentat無縫連結。
現在人工智慧(Artificial Intelligence) / 機器學習(Machine Learning)已經隨處可見，可以在各種工作和不同層面看到其應用。身為CAE工程師或者有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA)工程師的你，是否會很好奇AI/ML是否也能用在模擬分析上? 如果可以，能做些什麼呢?是否有機會能加速你的模擬分析工作?這篇文章就讓我們來瞭解什麼是AI/ML?它能加速我們的FEA分析，解決工程問題嗎?實際怎麼操作呢?
這篇文章我們會以Marc這套進階非線性有限元素軟體，來做實際案例的示範。
什麼是AI/ML?
人工智慧（AI）指的是以機器執行需要人類的智慧才能完成之任務的能力，例如解決問題、學習或做決策。AI 的範疇廣泛，包括自然語言處理、電腦視覺和機器人學。而機器學習（ML）是 AI 的一個子集，專注於讓電腦僅根據數據學習模式和做出預測的演算法，無需明確的程式設計。機器學習的類型包括監督式學習、非監督式學習和強化學習。
這裡我們主要介紹AI/ML如何輔助有限元素分析，更以範例演練，讓大家體驗操作流程。主要的目的，是希望能透過AI/ML的加入，減少整體有限元素分析運算所需要的時間。如果你希望在工作上，實際解決工程問題，運算的時間很長，那麼這AI/ML的應用，肯定要學起來。
AI/ML如何能幫助有限元素分析?
標準的有限元素分析流程，包含在前處理器建立幾何模型、對模型切網格、設定材料參數、邊界條件，最後要設定運算的分析參數，然後交給求解器執行運算。此時，若是大的模型或者非線性的分析，運算時間可能很長。AI/ML可以藉由替代模型和預測分析兩種方式，減少運算時間。
AI的模型訓練，需要使用數個，屬於一組的模擬模型和其分析結果。訓練好之後的AI模型，可以直接根據學習經驗，提供結果。這樣的做法，同樣是達到目的，取得您要的結果，能減少有限元素模擬分析運算的時間。
除了取得結果，AI在整個模擬分析的應用上，能改善結果的準確性，產出高品質的網格，和建議最佳的網格配置，因此減少必須做的網格敏感度分析(Mesh Sensitivity Analysis)。ML可以動態的精細化特殊區域的網格，例如像是高應力的區域。此外，AI的演算法可以同時間探索多項設計參數，提供最佳的設計參數組合，且幫助平衡多個設計目標所需的設計參數。
如果是要做複雜的材料模型，ML可以使用材料數據來預測材料參數，作為有限元素分析的輸入值。
綜合以上，AI/ML在有限元素分析的應用可以:
- 降低分析運算時間
- 增加網格的準確度，有最好的網格型態配置
- 最佳化模型的設計參數
- 建立材料模型
軟體和工具
以上，了解到AI/ML如何能幫助有限元素分析，那麼該用什麼樣的工具來做呢?
許多商用模擬分析軟體公司，都嘗試將AI/ML整合到CAE軟體中，Hexagon的Marc/Mentat就是將AI/ML整合到其中的CAE軟體。Marc是世界第一個進階非線性分析軟體，而Mentat則是它的專屬前、後處理器。Mentat的圖形使用介面(GUI)就內嵌AI/ML的工具(AI/ML Tools)，能產出參數模型和建立DOE(Design of Experiments)。模型也在Mentat執行平行運算，建立功能模擬單元。
Marc/Mentat介面
可以直接使用 AI/ML Tools
模擬分析做好之後，Mentat能夠將結果傳到ODYSSEE。ODYSSEE是專門為機器學習設計的軟體，也是Hexagon的軟體，也因此，它和Marc/Mentat間能無縫傳輸。ODYSSEE CAE的GUI，稱作Lunar，對參數系統預測結果的操作介面。此外包含兩個求解器: QUASAR-機器學習和資料探勘的求解器 和 NOVA-優化器。
ODYSSEE CAE的GUI – Lunar
FEA+AI/ML的操作流程
整合ML來加速有限元素分析，有兩個主要目的，第一:預測(對於特定的輸入值，預測分析結果);第二:最佳化設計參數(針對特定的輸出，找到輸入值)。
我們解析這個操作流程如下:
- 在Marc/Mentat中，建立模型，完成材料、邊界條件、網格、和模擬分析參數設定。
- 定義設計上可以變更的參數 (也就是你想要調校、優化的參數)
- 用Mentat自動產出這些參數進行DOE的數據組
- 送出模型做運作。可以設定平行運算。
- 擷取出特定的結果，例如:應力、位移等。
- 自動產出ODYSSEE CAE可以讀的檔案
- 從Mentat介面，可啟動ODYSSEE，設定要進行”預測”或”最佳化”分析
- 讓ODYSSEE跑ML模型，寫出結果
- (選項)匯入結果到Mentat中，進行模擬分析，驗證ODYSSEE結果準確性。
Marc/Mentat+ODYSSEE 示範
想了解更多關於AI/ML和模擬分析軟體整合，歡迎參考 ODYSSEE。