EP4320542A1 - System for ascertaining internal load states of a mechanical component - Google Patents

System for ascertaining internal load states of a mechanical component

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Publication number
EP4320542A1
EP4320542A1 EP22765794.7A EP22765794A EP4320542A1 EP 4320542 A1 EP4320542 A1 EP 4320542A1 EP 22765794 A EP22765794 A EP 22765794A EP 4320542 A1 EP4320542 A1 EP 4320542A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
neural network
component
stiffness
components
finite element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22765794.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marcus Stoffel
Saurabh Balkrishna Tandale
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP4320542A1 publication Critical patent/EP4320542A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10Geometric CAD
    • G06F30/17Mechanical parametric or variational design

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act on it.
  • Mechanical components such as components of a chassis or a drive of a vehicle should not fail in use. For this reason, components are tested during a development process, for example, and deformations that occur as a result of acting forces are recorded with strain gauges. However, it is not possible - at least not easily - to measure the stresses that act inside a component. It is therefore known, for example, to subject plexiglass models of mechanical components to an external force and to observe stresses in the plexiglass under polarized light. This method also has very narrow limits, mainly because the actual components are usually not made of Plexiglas. Mechanical components can also have complex geometries and be exposed to diverse, sometimes high and overlapping forces. For example, a drive shaft is regular in torque transmission
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Exposed to lateral and longitudinal forces as well as bearing forces.
  • a drive shaft must be designed in such a way that it withstands the forces acting on it over the long term and does not break.
  • prototypes are often manufactured and exposed to the expected impact of forces. Based on the mechanical behavior of the prototype under the expected force, it can then be seen at which points the prototype should be improved.
  • internal stress conditions caused by external forces cannot be easily recorded, and in particular cannot be measured directly.
  • the internal load conditions such as internal stresses, internal strains and the resulting deformations of the component, are usually not easily accessible and therefore not easy to determine. They depend, among other things, on the magnitude and direction of the external forces, the actual geometry of the component and its material properties. In particular, the material properties can also vary spatially within the component due to the manufacturing process of the component.
  • a further complication can be that mechanical components cannot consist of just one isotropic material, but can, for example, have composite components, e.g. layer systems with layers made of different materials. If the internal stress states of such composite components are to be determined under the influence of external forces, it is often necessary to take into account the mechanical behavior of the individual materials and also the interaction with the other materials. The geometry of the mechanical component and the arrangement of the different materials in the component are also crucial.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • a component is regularly examined on a test bench, which is supplemented by simulation tools.
  • a component can be exposed to external forces on a test bench and the resulting deformations of the component can be measured. Since the internal load conditions cannot be measured - at least not easily - the internal load conditions must be derived from the applied external forces and the resulting deformations. This is particularly difficult when the internal stress conditions lead to material failure inside a component, so that cracks occurring inside the component, for example, cannot be seen from the outside.
  • a method that makes it possible to determine the internal stress conditions of a mechanical component under the influence of external forces is the finite element method, or FEM for short.
  • the FEM makes it possible to determine the internal load conditions in a mechanical component under the influence of specified external forces.
  • FEM FEM
  • a finite element (FE) preprocessor, a FE solver, and a FE postprocessor are typically used to perform the FEM.
  • FE finite element
  • a FE solver FE solver
  • a FE postprocessor are typically used to perform the FEM.
  • a model of the mechanical component is created that already shows the actual aspect ratios of the mechanical component.
  • a great advantage of the FEM is that the properties of the materials from which the components of the mechanical component are made are also included in the model and can be taken into account for the determination of internal stress states. For example, a composite component made of layers of different materials can also be examined.
  • an FE preprocessor divides the component into finite elements, to which material properties and boundary conditions can be assigned.
  • An FE equation solver creates a system of equations for the component that describes how the finite elements deform and move under the influence of force and which internal forces occur between the elements. This finite element model can
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Solve the FE equation solver iteratively and thus determine the stresses and deformations that occur inside the component when external forces are applied.
  • the FE post-processor can then generate a graphical representation that represents the internal stress conditions, in particular the internal mechanical stresses, and thus allows the desired view of the interior of the component.
  • a technical challenge is the fact that the FE solver solves the occurring displacements, stresses and forces only iteratively, which leads to a considerable expenditure of resources in terms of computing and storage capacity as well as in terms of time.
  • the finite elements Compared to the component that is represented by the large number of finite elements, the finite elements typically have a comparatively simple geometry, e.g. the shape of a hexahedron or a tetrahedron, so that the mechanical behavior of the individual finite elements can be determined much more easily, than that of the complete component.
  • Finite elements are represented by nodes in a kind of mesh model.
  • Material properties such as a Young's modulus and a Poisson's ratio for a linear relationship between stress and strain, as well as boundary conditions are assigned to the nodes.
  • the boundary conditions can, for example, include an external force and act on the nodes of the FEM model.
  • the formulation functions generally include polynomials of the first, second, third or higher degree and describe mathematically how a finite element reacts to external influences, such as a mechanical force exerted on the component from the outside.
  • a local Ritz approach is regularly selected as the approach function.
  • the shape functions have to fulfill continuity conditions in the transition from a finite element to a neighboring finite element and contain the nodes of the finite element as parameters.
  • a system of equations can be set up for each finite element, which includes an element stiffness matrix that contains the nodes as unknowns.
  • the dimension of the element stiffness matrix corresponds to the number of degrees of freedom of the nodes, i.e. six degrees of freedom in the three-dimensional case.
  • an element stiffness matrix is set up for each individual finite element.
  • K*X F
  • X the displacement matrix
  • F the force matrix.
  • the global stiffness matrix maps the displacements at the nodes to the forces acting on the nodes.
  • the components of a stiffness matrix are called stiffness components.
  • the component can be deformed by an external force acting on the component.
  • the deformation of the component causes the node positions in the finite element of the component to change relative to one another.
  • the displacement at the nodes is evaluated and the displacement at points in space where there is no node is interpolated between the nearest nodes.
  • the displacement of the finite elements implies the deformation of the component and causes the components of the element stiffness matrices - i.e. the stiffness components - to change as well.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) When determining the mechanical behavior of an individual finite element of the component, boundary conditions and the effect of the mechanical behavior of the neighboring finite elements are taken into account. It takes into account how forces and other boundary conditions affect the individual finite elements, propagate in the component and affect neighboring finite elements.
  • Each increment represents a specific load condition, also referred to as a load increment.
  • Various load states are determined one after the other, each starting from the previous load state and approaching a final load state in equilibrium of forces. If the load condition has been determined in the equilibrium of forces, the solution for the mechanical behavior of a component under the influence of external forces has been found.
  • the FE equation solver usually includes a Newton-Raphson equation solver.
  • the system of equations is solved iteratively because the deformations that occur cause the stiffness components in the element stiffness matrices and thus in the global stiffness matrix to change as well. With each iteration, the deviation of the solution found from the previous solution should decrease, so that the approximation converges and approaches the actual solution for the respective increment.
  • the iterative determination of the new stiffness component can sometimes take a long time. This step alone on the way to representing the internal load conditions of a mechanical component can therefore lead to a significant extension and accordingly tie up computing capacities for a longer period of time.
  • the mechanical behavior of the entire component can be deduced from the mechanical behavior of the individual finite elements.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) means whether the iteratively found solutions converge. It may be that the calculation is repeated until a termination criterion is met, if such a termination criterion is defined at all.
  • the invention is based on the object of specifying a system and a method that make it possible to determine the internal stress states of a component when external forces act with the least possible expenditure of resources and time.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) According to the invention, a system is proposed to solve the problem, which has an input interface, a finite element preprocessor, a finite element equation solver, and a finite element postprocessor.
  • the input interface is designed to receive geometry data that represent the component.
  • the finite element preprocessor is designed to subdivide the component into finite elements and to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element.
  • the finite element solver is configured to generate a global stiffness matrix for the part that specifies how the elements of the part deform due to the assigned material property and/or boundary condition and to identify areas in the part where the part deforms and to identify other areas in which a geometry of the component remains essentially unchanged despite the action of external forces.
  • the finite element post processor is designed to visualize the internal stress state of the mechanical component when external forces are applied.
  • the system further includes at least one trained neural network.
  • the neural network is trained to determine stiffness components of an element stiffness matrix of at least one finite element of the component, preferably for a finite element that is located in that area of the component in which the component deforms when external forces are applied and thus its geometry changes.
  • the finite element solver is further configured to use the element stiffness matrix determined by the trained neural network for the deformed element to update the global stiffness matrix and to determine the internal stress state of the mechanical component when external forces are applied based on the updated global stiffness matrix.
  • the FE equation solver is designed in particular to determine the stiffness components of the element stiffness matrices that change for a respective increment by means of a trained neural network. This is done in particular by calling up the trained neural network in each increment and using the trained neural network directly converged stiffness components for a respective finite element
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) to be determined. Since the trained neural network already determines the converged stiffness of its components, no further iterations are necessary in the respective increment in order to determine the converged stiffness of its components. This is possible because the neural network is trained in such a way that it can already determine the converged stiffness of its components.
  • the displacements occurring in each increment for a mechanical component are determined as in a conventional FEM.
  • the displacements for each increment can be determined faster because the internal stress states of a member in each increment can be determined directly using the converged stiffness of its components determined by the neural network.
  • the invention is based on the further finding that in particular the determination of stiffness components of such finite elements that are located in a region of the component that is subjected to deformation can take a particularly long time.
  • the stiffness components of elements in areas that do not or only insignificantly deform can be determined much more quickly.
  • the many iteration steps in each increment are necessary in particular because the stiffness components of the finite elements have to be re-determined from the deforming areas of the component. This is necessary because the geometry of the component changes, particularly in the deforming areas.
  • the change in geometry means that the population of the stiffness matrix, i.e. the stiffness components that are attributed to these deformations, has to be redetermined.
  • the system preferably has a loading and measuring device that is designed to exert a predefined external force or multiple predefined external forces on a provided mechanical component, and the resulting external deformations of the mechanical component to be measured under the defined force.
  • the finite element preprocessor is then preferably designed to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element.
  • the at least one boundary condition includes the predefined external force or multiple predefined external forces exerted by the measuring device and/or the measured external deformation of the component.
  • the system can then determine not only the external deformations for a component to be tested, but also the internal stress conditions that cannot be measured directly, which result from the forces exerted on the mechanical component by the loading and measuring device.
  • the determined internal load states can also be determined reliably and precisely if the mechanical component undergoes non-linear plastic deformation due to the forces exerted or if, for example, internal cracks occur that are not visible from the outside, or if the mechanical component undergoes non-linear geometric deformation due to the forces exerted, i.e. the surfaces of the component are strongly curved, for example like a body in a crash test.
  • This special advantage of the system is caused by the fact that the
  • the invention also relates to a method for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act on it.
  • the method can be carried out with the system described above.
  • the procedure includes the steps:
  • those areas in the component are identified in which the component deforms and preferably other areas are identified in which a geometry of the component remains essentially unchanged despite the action of external forces.
  • the trained neural network is used to determine the converged stiffness components for those elements of the component that are deformed by the action of external forces.
  • the remaining stiffness components of the global stiffness matrix, which belong to elements of the component in which the component does not deform or only insignificantly deform, are preferably not determined again by the neural network.
  • the global stiffness matrix is then adapted to the new geometry of the part, which is caused by external forces acting on the part and deforming it. In the parts of the component that are not deformed, the geometry of the component does not change or only changes insignificantly, and accordingly the occupation of the stiffness matrix by the corresponding stiffness components does not change either or only insignificantly.
  • the stiffness components of the global stiffness matrix are adapted by calling the trained neural network for each finite element in one or more increments.
  • the components of the displacement matrix or the stress tensor of the respective finite element are fed to the trained neural network as an input matrix.
  • the trained neural network supplies the components of the force matrix as an output matrix if a displacement matrix was selected as the input matrix, or directly the stiffness components if the strain or stress tensor was selected as the input matrix.
  • the method thus implies the use of a trained neural network to determine the converged stiffness components for those elements of the component that are deformed by the action of external forces.
  • the neural network can be trained before the method steps mentioned above and does not have to be repeated during the course of the method. This does not rule out the possibility that retraining during the course of the method can be advantageous
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) but with two advantages: on the one hand, the method can be carried out with fewer iteration steps and is therefore more resource-saving in terms of time and computing requirements than conventional FE methods. On the other hand, the neural network can be trained with finer iteration steps during training, so that the method is still able to determine internal stress states, even if severe deformations or internal damage to the component occur, where this is no longer possible with conventional FE methods .
  • the method comprises the further steps:
  • the force or forces exerted are known, in particular with regard to their direction and magnitude, so that the force or forces can be included as boundary conditions in the determination of the internal load states using the above-described method for determining internal load states of a mechanical component when external forces act .
  • the measured deformation of the mechanical component is preferably included in the above-described method for determining internal stress states of a mechanical component when external forces act.
  • the method is then used to determine the internal load condition of the mechanical component, which results during the measurement from the action of the predefined external force or multiple predefined external forces on the component.
  • the method has the particular advantage that internal stress states can also be reliably determined when the predefined external force or multiple predefined external forces exerted on the component lead to invisible internal damage, e.g. internal cracks, or non-linear geometric deformation of the component. This is regularly not possible with the known FEM.
  • the method can be used to assign internal stress states to a measured external deformation in a particularly reliable manner, it is also possible to more reliably assess whether a mechanical component can actually be manufactured in such a way
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) that it can withstand the expected forces. In this way, safety can also be increased when using a mechanical component.
  • An advantageous aspect is that the method mentioned and the generation of the trained neural networks used in the method can be carried out independently of one another in terms of time and space.
  • the generation of the trained neural network it is again advantageous that the generation of training data and the training of a neural network with the training data can also take place independently of one another.
  • a dependency only exists to the extent that training data generated for training a neural network must be available and that a trained neural network must be available for carrying out the FEM.
  • the generation of the training data and the training of the neural network can take place on different computers, which can be located at different locations. The same applies to performing the FEM using a trained neural network.
  • the generation of training data and the training of the neural network can each be further components of the method for displaying determination of internal stress states of a mechanical component when external forces are applied, with the generation of training data and the training of the neural network also being independent of the actual method for determining internal Load conditions of a mechanical component can be performed using a trained neural network. This is because the generation of training data and the training of the neural network can already have taken place before the internal load states are determined for a component. This means that the actual determination of the internal load states of a mechanical component when external forces are applied can be carried out more efficiently and—as described here—also more reliably.
  • the neural network was preferably trained by first providing an untrained neural network which has a topology with an input layer, an output layer and one or more intermediate layers, each of which has a large number of neurons and weights assigned to them.
  • the neurons of a subsequent layer are each preferably linked (fully connected) to all neurons of a preceding layer.
  • the neural network is trained with a training data set that includes input vectors and associated output vectors.
  • the input vectors can include displacement components or strain components, for example.
  • the associated output vectors can include forces or stiffness components, for example.
  • the neural network is preferably trained by adjusting the weights in such a way that a deviation determined by an error function is minimized, which is caused by a difference between predetermined values of the Jacobi matrix components öf/öu and a value of the Jacobi matrix components öf/ predicted by the neural network. ou is defined.
  • the training data are preferably generated by initially providing a single finite element to which at least one material property and/or at least one boundary condition representing the action of an external force is assigned.
  • An FE equation solver is preferably used to determine how the individual finite element deforms due to the assigned at least one material property under the influence of an external force, and corresponding input vectors and associated output vectors are determined.
  • a suitable neural network has an input layer with a number of input neurons and an output layer with a number of output neurons.
  • the number of input neurons can, for example, correspond to the number of degrees of freedom of a node multiplied by the number of nodes of a finite element.
  • a neuron in a layer is typically connected to several neurons in the preceding or following layers.
  • the input values - i.e. the output values of the neurons of the previous layer - are first summed up in a weighted manner.
  • a neuron may further contain a bias that controls the neuron's average level of activation. The bias can also be part of the weighted sum. The weighted sum obtained in this way is fed to an activation function and processed by the activation function to form the output value.
  • the neural network can be a feed-forward neural network, for example.
  • the neural network can also be a radial basis function neural network or a recurrent neural network. It is also possible and beneficial for the neural network to be a gated recurrent neural network, also known as Long Short Term Memory (LSTM)
  • LSTM Long Short Term Memory
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) referred to as.
  • a core concept of the LSTM is to learn long and short term dependencies. The LSTM thus enables a kind of memory of previous experiences.
  • the neural network can have one, two, three or more than three intermediate layers (hidden layers). Alternatively or additionally, the neural network can have one or more convolutional layers and pooling layers.
  • X is an input vector given on the input layer, which represents generalized displacements u
  • F is the output vector formed by the neural network from the input vector, which represents generalized forces.
  • the neural network comprises a number of intermediate layers, the first intermediate layer being denoted by L and the last intermediate layer by L'.
  • the number of intermediate layers present is denoted by k, where k>2 applies.
  • the neural network is also defined by activation functions A) and their derivatives A) with reference to the weighted sum. If the input vector X represents generalized displacements u and the neural network is trained with training data in which the output vector F maps generalized forces, the trained neural network maps the generalized displacements X to the generalized forces F.
  • the stiffness components of a finite element can be determined using the generalized forces F.
  • the neural network which maps generalized displacements X to the generalized forces F, initially supplies generalized forces F, which are converted into stiffness components.
  • the neural network may be trained such that the input vector whose components are passed to the input layer neurons represent the normalized strain or stress tensor components, the internal state of a finite element
  • the output neurons can represent converged stiffness components, so that with the neural network normalized strain tensor components can be directly mapped to converged stiffness components.
  • the input vector and K the output vector.
  • the number of output neurons can correspond to the number of input neurons.
  • the number of input neurons preferably corresponds to the number of degrees of freedom of a node.
  • the number of neurons in an intermediate layer can differ from, and preferably exceeds, the number of input neurons. If there are several intermediate layers, they can each have a different number of neurons compared to a number of neurons in one of the other intermediate layers.
  • the neural network can optionally include further input neurons for input values that represent geometry parameters. However, this is not necessary since all geometric properties are already contained in the neural network. However, the training success of the neural network can be improved by additional input neurons that represent geometry parameters.
  • the neural network includes activation functions assigned to the neurons of the neural network, which can be, for example, a hyperbolic tangent activation function or a sigmoidal activation function or radial basis function.
  • the neural network used in the FEM is trained. Training data containing output vectors associated with different input vectors are used for this purpose.
  • the aim of the training is to adjust the weights of the neural network in such a way that the output vector formed by the neural network from an input vector comes as close as possible to the corresponding training data.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the neural network is trained with training data that is composed in such a way that the output vector of the trained neural network contributes to
  • the neural network is trained accordingly with training data so that the system can display the internal stress conditions of a mechanical component.
  • the training data should be generated in such a way that they fit into the value range of the magnitudes of state variables to be expected, e.g. the stresses and strains, as well as the internal forces.
  • the training data should encompass a range of values that can be expected to represent the internal stress states of a mechanical component.
  • a subdivision is preferably selected within the training data which is suitable for the neural network to be able to interpolate between these values with sufficient accuracy when determining the stiffness components.
  • Training data is preferably generated on a single finite element by performing FEM simulations for various combinations of generalized force and displacement vectors. In this way, local stiffness matrices of the finite element are obtained for each of these combinations. This training data is obtained using classic FEM and the Newton-Raphson equation solver.
  • the individual finite element preferably has the geometry of a hexahedron or a tetrahedron. At its corners, the single finite element has nodes assigned material properties such as Young's modulus and Poisson's ratio, and boundary conditions. For example, an elastic-plastic material behavior can be assumed for the training, which can include a non-linear isotropic hardening.
  • training data is obtained by running through complete FEM simulations in a known manner for different material properties and boundary conditions, e.g. different forces, and in this way using FEM for a finite element, many pairs of input and output vectors calculated and made available for training the neural network in the form of training data sets.
  • material properties of the component whose mechanical behavior is to be represented can be assumed.
  • the training data generated in this way comprises input vectors and output vectors assigned to them.
  • the training data may include geometry parameters of the single finite element used for training.
  • a trained neural network used in the context of the FEM may be retrained. As long as the FEM shows that the component deforms in the linear elastic range, the training of the neural network does not have to be repeated even if the geometry of the component changes. It may only be necessary to repeat the training if the deformation of the component takes place in the geometrically non-linear area. Even in the physically non-linear domain, it is not necessary for the neural network training to be repeated when the geometry of a component changes if normalized quantities are used in the neural network training. There are scaling parameters between physical and normalized training data. If a component geometry changes, the same normalized training data can be generated by adjusting scaling variables as with existing training data.
  • approximately 15,000 data points are generated for training the untrained neural network.
  • the initially untrained neural network is trained with the training data in order to then use it to determine the stiffness components of the element stiffness matrix in an FEM simulation at the level of individual elements.
  • the system can have a training data generation device for generating training data for a neural network.
  • the training data generating device is preferably designed to provide a single finite element and to generate a multiplicity of combinations of generalized force and displacement vectors for this single finite element.
  • the training data generation device is preferably also designed to select such a subdivision for the training data that the trained neural network for
  • the training data generation device can be implemented and used independently of the system for determining internal stress states of a mechanical component.
  • the neural network is trained iteratively with the aid of a training data set that contains input vectors and associated output vectors.
  • the neural network is trained iteratively, with the weights of the neurons being changed in each iteration step in such a way that the prediction, ie the output vector of the neural network, deviates as little as possible from the associated output vector from the training data set.
  • comparatively narrow iteration steps ie a high iteration step density
  • a comparatively high density of iteration steps is used for training the neural network, this has the advantage that a comparatively lower density of iteration steps can be used when the system and/or the method for determining internal stress states is used later.
  • the solution of a technical problem can be further accelerated by the system and/or the method. For example, a speed gain of over 90% can be achieved compared to using a conventional FEM.
  • training data comprising 15000 data points can be used for the training.
  • the training data may include geometry parameters of the single finite element used for training.
  • the neural network is trained by using an error function to determine a deviation of an output vector predicted by the neural network from an output vector of the training data set and this deviation is iteratively minimized by adapting the weights of the neural network.
  • the components of the input vectors from the training data are transferred as input data to the input neurons of the neural network.
  • the neural network forms an output vector for each input vector, which is composed of the output values of the output layer.
  • Sobolev training is preferably used, i.e. both the output vectors of the output neurons and their derivatives are considered for the training. Through the Sobolev training, Jacobi
  • Jacobian matrix components öf/öu being taken into account by each neuron of the neural network in the error function itself.
  • the consideration of the Jacobi matrix components öf/öu in the error function is based on the following considerations.
  • the starting point is the Jacobi matrix of conventional FEM where Ao n is the normalized increment of the stress tensor and Ae n is the normalized increment of the strain tensor.
  • Equation 13 gives the material stiffnesses predicted by the neural network and can be obtained using automatic differencing.
  • Equation 13 For training the neural network, additional output neurons representing the material stiffnesses would have to be provided in the output layer.
  • the neural network has to be trained accordingly and the topology of the neural network has to be adapted accordingly.
  • the invention includes the knowledge that this is not necessary if another error function is used for training the neural network, in which the material stiffnesses are already replaced by the structural stiffnesses öf/öu in the error function, i.e. by the Jacobi matrix components of the neural network. These need not be specified in the form of (additional) training data, but can be determined during training by deriving the output values of the neural network.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the neural network trained in this way can be used to directly determine the stiffness components of a finite element within the framework of the FEM.
  • the trained neural network can be used to determine internal stress states for components with widely differing geometries without having to adjust the topology of the neural network or retrain it.
  • the error function is preferably used for the training used.
  • d represents the number of data points used for the training, eg 15000.
  • i and j represent the components of the input and output vectors respectively and can at most assume the value of the maximum number of degrees of freedom of the nodes.
  • the components of the normalized output vector are denoted by f n i .
  • the indices a and p correspond to the actual output vector and the output vector predicted by the neural network, respectively.
  • the error function contains a first term that represents the error in the generalized forces f predicted by the neural network.
  • the error function contains a second term that gives the material stiffness predicted by the neural network.
  • This term contains stiffness components öf/öu.
  • the weights of the neurons are changed as part of the training, e.g. using a gradient descent method, in such a way that the error function is minimized.
  • the error function can be used in the training of the neural network a backpropagation algorithm can be executed, ie an output vector of the neural network is compared with an output vector which is known from a conventional FEM simulation.
  • the deviation between the output vector of the neural network and the output vector of the FEM is propagated back as an error through the neural network to adjust weights of the neurons of the neural network so that the deviation becomes smaller.
  • the backpropagation algorithm can include, for example, the use of the Levenberg-Marquardt algorithm in order to improve a convergence of the output vector of the neural network to the output vector obtained by FEM from the training data set.
  • the Levenberg-Marquardt algorithm involves considering a Jacobian matrix of the derivatives of the errors on the neurons of the neural network.
  • the neural network After training the neural network before solving a boundary value problem, the neural network only knows the stiffness components for arbitrary deformations, which in the course of training were correlated with the FEM at a single finite element with the force and displacement vectors.
  • the trained neural network may therefore need to interpolate between pairs of values of force and displacement vectors to determine updated stiffness components for a finite element. A possible error resulting from this can be minimized by appropriate prior training.
  • the system can have a provisioning device for providing the trained neural network. is preferred
  • the provision device is designed to use the training data from a plurality of combinations of generalized force and displacement vectors to train a neural network in such a way that it can predict stiffness components for a finite element, and then to provide the trained neural network.
  • the provision device for providing the trained neural network can be implemented and used independently of the training data generation device and of the system for determining internal stress states of a mechanical component.
  • the provision device for providing the trained neural network can also form a subsystem of the system for determining internal load states of a mechanical component, independently of the training data generation device.
  • stiffness components of an element stiffness matrix for a finite element of a deformed part are updated depends in particular on which of the three different approaches, numerical differencing, automatic differencing or evolution of converged stiffnesses, was trained.
  • stiffness components can be determined when the neural network has been trained according to the first approach of numerical differentiation.
  • the neural network provides an output vector representing generalized forces, again using the equation can be converted into normalized stiffness components of the i-th element, where f'nn is a component of the output vector of the trained neural network, u n m is the m-th component of the generalized displacement matrix, e m is a disturbance value introduced into the neural network value) and öf n i/öu n m represent the normalized stiffness component.
  • the normalized stiffness components can be obtained by solving the equation x ⁇ x
  • Equation 37 includes the weighted sum and the output vectors, which in turn depend on the weights and the biases of the neurons in the neural network.
  • the normalized stiffness components can be obtained by solving the equation
  • the stiffness components can be calculated using the equation to be determined. Once the stiffness components have been determined, these preferably converted into physical quantities using the equation. Then the converged stiffness components are inserted into the element stiffness matrix to update the element stiffness matrix.
  • the trained neural network can be integrated into a conventional FE equation solver or connected to it for data exchange.
  • the neural network is or comprises an LSTM
  • the LSTM makes it possible to process state variables through which the LSTM can learn a path dependency. This is accomplished with the LSTM by the LSTM updating the state variables during a forward pass. This update of the state variables can implicitly handle path dependent behavior.
  • the forward path can be used to calculate the converged internal force vector and the backward path can be used to compute the converged stiffness components for the to receive the respective increment.
  • the stiffness components can either be calculated with the equation calculated and updated accordingly.
  • the neural network with LSTM can be deployed in the FEM and used to update the internal force vector and the stiffness calculation for each element in the elastic-plastic domain.
  • the global stiffness matrix can be assembled from the stiffness calculations for each element and the corresponding displacement vector can be calculated.
  • LSTM is particularly advantageous when the underlying problem becomes more complex, e.g. becomes nonlinear, and e.g. more Gaussian
  • an FE solver and the trained neural network preferably perform the following steps:
  • the calculated element stiffness matrices can be combined into a global stiffness matrix that includes the stiffness components of the element stiffness matrices.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 7) Determine the global displacement vector using the updated global stiffness matrix.
  • the displacements determined in one increment can in turn be used as an input vector for a neural network, which is used in a subsequent increment to determine stiffness components of a finite element in the subsequent increment.
  • a Newton-Raphson equation solver is no longer required, since element stiffnesses from the trained neural network that have already converged are used.
  • the procedure described above for solving a boundary value problem is incremental, as in classical FEM, but iterations within an increment are no longer required and therefore the Newton-Raphson equation solver is no longer required either.
  • the stiffness components are known to the neural network from the training in each iteration step. This means that when determining a mechanical deformation of a component, known stiffness components from the training are used and assigned to the generalized force and displacement vectors that occur. This bypasses the iteration in one increment.
  • FIG. 1 shows a schematic of a system for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act
  • FIG. 2 shows a flowchart for a method for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a flowchart for a method for generating training data for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a schematically illustrated neural network with feed-forward topology, which is designed to map displacements onto forces
  • FIG. 5 shows a section of a schematically illustrated neural network 500 with feedforward topology for determining Jacobi matrix components, which is trained using a backpropagation algorithm;
  • FIG. 6 shows a schematically illustrated neural network with feed-forward topology, which is designed to map state variables to normalized stiffness components
  • FIG. 7 shows a flowchart for a method for updating the stiffness components of a global stiffness matrix, with the stiffness components being able to be determined in three different ways;
  • FIG. 8 shows a flow chart for a method in which the FEM is used to simulate a mechanical behavior of a component, in which method a trained neural network determines stiffness components for a finite element which is subjected to deformation;
  • Fig. 10 a 2D simulation of a plate structure.
  • FIG. 1 shows a schematic of a system 100 for determining the internal load conditions of a mechanical component 102 when external forces 104 act.
  • a hollow shaft which is mounted at two points 106, 108, is assumed here as an example as component 102.
  • An external force 104 specified by a measuring device 113 acts centrally on this hollow shaft 102. Due to the bearing 106, 108 of the hollow shaft 102, it can be assumed that the hollow shaft 102, particularly in the area 110 between the bearing points 106, 108, will move due to the action of the external Force 104 deformed. The external deformation is measured by the measuring device 113 .
  • Geometry data 112 which represent the geometry of the hollow shaft 102, are transferred to an FE preprocessor 114 via an input interface. Furthermore, the measured external deformation and the specified force 104 are transferred as input data 117 to the FE preprocessor 114 via the input interface.
  • the FE preprocessor 114 is part of a computer 115 which further comprises an FE solver 116, a trained neural network 118 and an FE postprocessor 120.
  • the FE preprocessor 114, the FE solver 116, the trained neural network 118 and the FE postprocessor 120 form a FEM subsystem.
  • the FE preprocessor 114 divides the hollow shaft 102 into a number of finite elements and assigns material properties and boundary conditions to the elements.
  • the boundary conditions include, in particular, the direction and the magnitude of the force 104 acting from the outside, as well as the external deformation of the hollow shaft 102 measured by the measuring device.
  • a global stiffness matrix is set up for the hollow shaft 102 by the FE preprocessor 114, which matrix is based on the original geometry of the hollow shaft 102, without taking into account deformations induced by external forces.
  • the change in the stiffness components of the global stiffness matrix is first determined iteratively with an FE solver 116 using the Newton-Raphson solver. Based on this first determination of the stiffness components of the global stiffness matrix by the FE equation solver 116, those elements of the hollow shaft 102 in which the hollow shaft 102 deforms can be identified. The stiffness components, in particular of these elements in which the hollow shaft 102 deforms, can change and should be redetermined.
  • the global stiffness matrix is preferably updated to represent the changed geometry of the deformed hollow shaft 102 .
  • the iteratively determined stiffness components should approach the actual stiffness components, i.e. the solutions found must converge.
  • the training data 126 used for the trained neural network 118 is generated in the system 100 with a training data generation device 128 .
  • the training data generation device 128 is configured to provide a single finite element and to generate a plurality of combinations of generalized force and displacement vectors for this single finite element.
  • the training data generation device 128 is designed to select such a subdivision for the training data 126 that the trained neural network 118 can interpolate between these values to determine stiffness components.
  • the system 100 has a provision device 130 for providing the trained neural network 118 .
  • the provision device 130 is designed to use the training data 126 to train a provided untrained neural network in such a way that it supplies stiffness components for a finite element for force and displacement vectors acting on a finite element. After the training is complete, the provisioning device 130 provides the trained neural network 118 .
  • the training data generation device 128 and the provision device 130 can also be components of the computer 115 and form a training subsystem.
  • the FEM subsystem (comprising the FE preprocessor 114, the FE solver 116, the trained neural network 118 and the FE postprocessor 120) and the training subsystem (comprising the training data generator 128 and the provider 130) can be implemented independently of one another and can also be operated independently of one another in terms of time.
  • the trained neural network 118 receives an input vector from the FE solver 116 for a corresponding element, which represents the displacements or state variables determined for this finite element.
  • the trained neural network then supplies an output vector that represents normalized forces or directly normalized stiffness components. This means that the trained neural network maps the displacements or state variables determined for this finite element to normalized forces or directly to normalized stiffness components.
  • the trained neural network 118 thus updates the stiffness components for each of the finite elements in which the hollow shaft 102 deforms. This is done for each finite element in each increment for which the trained neural network 118 is invoked.
  • the global stiffness matrix is updated in the respective increment with the stiffness components newly determined by the trained neural network 118 for the respective finite elements.
  • the stiffness components newly determined by the trained neural network 118 are normalized stiffness components that have already converged. The stiffness components therefore do not have to be determined again iteratively, e.g., by using a Newton-Raphson solver with the FE solver 116.
  • the FE equation solver 116 determines the mechanical deformation of the hollow shaft 102 in one or more increments based on the updated global stiffness matrix.
  • the iterative determination of the new stiffness components by the FE equation solver 116 is therefore omitted in the system 100 described here. This reduces the need for working memory capacities and speeds up the determination of the updated global stiffness matrix.
  • the deformed hollow shaft can be displayed graphically on a monitor 122 of the computer 115 with an FE post-processor 120 .
  • the deformation can also be quantified and, for example, the expansion field 124 or stress field inherent in the hollow shaft can be displayed.
  • the inherent strain field 124 or stress field represents the internal stress conditions of the quill 102 that occur during the measured external deflection of the quill 102 .
  • the internal stress states of the hollow shaft 102 can also be determined reliably and precisely with the system if the hollow shaft 102 is plastically deformed or has internal damage due to the force 104 exerted, or if the hollow shaft 102 is deformed non-linearly geometrically due to the force 104 exerted .
  • FIG. 2 shows a flowchart for a method for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG.
  • a neural network is first provided (step S1).
  • the neural network has an input layer, which has a number of input neurons, and an output layer, which has a number of output neurons. Furthermore, that shows
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) neural network has at least one intermediate layer comprising a number of intermediate layer neurons.
  • the neural network also includes weights assigned to the neurons.
  • the neural network can be, for example, the neural network described with reference to FIG. 4, 5, or 6.
  • the neural network is trained with training data (step S2), the training data representing a mechanical behavior (displacement, strain) of an individual finite element under the influence of external forces.
  • the neural network is trained using an error function.
  • the error function can be defined as
  • an error with regard to the generalized forces f n i predicted by the neural network is then preferably further minimized by using the error function and the weights of the neurons of the neural network are adjusted accordingly (step S3).
  • an error in deviation defined by a difference between a predetermined value of Jacobian matrix components ⁇ f/ ⁇ u and a value of Jacobian matrix components ⁇ f/ ⁇ u predicted by the neural network can be minimized.
  • the training includes adjusting the weights of the neurons of the neural network.
  • a backpropagation algorithm can be used in the method, with which a deviation between an output vector of the neural network and an output vector of the training data is calculated as an error and propagated back through the neural network. The weights of the neurons of the neural network are then adjusted during training so that the deviation is minimized.
  • a backpropagation algorithm is preferably used to train the neural network described with reference to FIG.
  • the error function is preferably defined as
  • Sobolev training is preferably used in the method.
  • FIG. 3 shows a flowchart for a method for generating training data for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG.
  • a single finite element is provided (step T1) to which at least one material property and/or at least one boundary condition representing an action of an external force is assigned.
  • a finite element solver is used to determine (step T2) how the individual finite element deforms due to the assigned at least one material property under the action of an external force.
  • the input vectors in a training data set for the neural network can contain, for example, displacement components or stress tensor components.
  • Resulting forces or stiffness components form the output vector associated with the respective input vector.
  • the generation of the training data using a single finite element is performed with combinations of generalized force and displacement vectors. In this way, local stiffness matrices of the finite element are obtained for each of these combinations.
  • This training data is obtained with classical FEM and the Newton-Raphson equation solver.
  • Training data are then output (step T3), which contain input vectors with, for example, displacement components or strain tensor components and an output vector that represents a mechanical behavior of the individual finite element under the influence of the external force.
  • FIG. 4 shows a schematically illustrated neural network 400 with feed-forward topology, which is designed to map displacements u to forces f.
  • the neural network 400 may be trained to determine the stiffness components according to the first approach of numerical differentiation or the second approach of automatic differentiation.
  • the neural network 400 represents or replaces the force balance equation
  • the neural network 400 maps the displacement components u n s 406 to the force components f n s 408 .
  • the displacement vector X is applied to the input layer 402 as an input vector and is mapped in the feed-forward direction to the output layer 404, whose output vector represents the force vector F.
  • X is the input vector whose components are passed to the neurons of the input layer of the neural network
  • F is the output vector formed by the neural network from the input vector due to the weighted summation and the activation function in the neurons.
  • the neural network 400 is trained to approximate the force-displacement relationship for a finite element.
  • the neural network 400 comprises a number of intermediate layers 410, 412, the first intermediate layer 410 being denoted by L and the last intermediate layer 412 being denoted by L'. Further intermediate layers can be provided between the first and the last intermediate layer. However, such further intermediate layers are optional.
  • the number of existing intermediate layers is denoted by k, so that k>2 applies.
  • the neural network 400 is further defined in terms of activation functions A'j and their derivatives A'j with respect to the weighted sum.
  • FIG. 5 shows a section of a neural network 500 shown schematically with feed-forward topology for determining Jacobi matrix components, which is trained using a backpropagation algorithm.
  • the neural network 500 shown in detail comprises an input layer 502 with an input neuron 503 and an output layer 504 with an output neuron 505. Between the input layer 502 and the output layer 505, the neural network 500 comprises intermediate layers 506, 508, each with two neurons.
  • the weighted sum of the i-th neuron in the l-th layer is denoted z'u and represents the argument of the activation function a'u of the same neuron.
  • the number of neurons in the previous layer is denoted by j.
  • the error function for the training of the neural network whose input vector X represents generalized displacements u and whose output vector F represents generalized forces f, takes into account the derivatives 5f/5u, which represent structural rigidities and which are obtained by numerical or automatic differentiation (first and second approach) .
  • FIG. 6 shows a schematically represented neural network 600 with feed-forward topology, which is designed by its topology and its training to map normalized state variables, such as strain or stress, to normalized stiffness components öf/öu.
  • the neural network can be used to determine the stiffness components according to the third approach, the evolution of converged stiffnesses.
  • the neural network is not supplied with input vectors X that represent generalized displacements, but input vectors whose components represent the normalized components of the strain tensor or the stress tensor of the finite element.
  • the neural network 600 can be described as follows: where fnn represents a vector function, k represents the number of intermediate layers 606, 608 and L represents the number of neurons in the respective intermediate layers 606, 608. A) represents the activation function of a respective neuron. K is the output vector
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) (Voigt notation) representing normalized structural stiffness components of a finite element and is the input vector whose components represent the normalized components of the finite element strain tensor or stress tensor.
  • the neural network 600 has an input layer 602 and an output layer 604 .
  • An input vector can be given to the input neurons 603 of the input layer 602, the components of which represent the normalized components of the strain tensor of the nth finite element.
  • the input matrix for the input layer can be written as
  • the components of an input vector can also be sent to the input neurons 603, the components of which represent the normalized components of the stress tensor of the nth finite element.
  • the output layer 604 comprises output neurons 605 whose output values form the components of an output vector K which represent normalized structural stiffness components of the nth finite element.
  • the neural network 600 comprises a plurality of intermediate layers (hidden layers) 606, 608.
  • FIG. 7 shows a flow chart for a method for updating the stiffness components of a global stiffness matrix.
  • the structural information i.e. the geometry of the component and its material properties as well as the external forces are provided (step t1).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the global stiffness matrix K for the component is set up on the basis of the structural information (step t2).
  • An FE equation solver is used to determine those finite elements that belong to an area of the component that deforms under the influence of external forces.
  • the component is divided into areas that deform and areas that do not deform or only insignificantly deform.
  • a measure can be defined here that indicates when an element is included in the deforming area and when not.
  • the stiffness components of those finite elements that belong to a deforming region of the component are determined in a respective increment with a trained neural network (step t3). Only the stiffness components of those finite elements that belong to a deforming area of the component are determined, because here the geometry of the component changes and accordingly the occupation of the stiffness matrix with stiffness components. In those areas where there is no deformation and therefore no change in the geometry of the component, the stiffness components do not need to be determined again.
  • a neural network as described with reference to FIG. 4 can be used and if the neural network has been trained according to the third approach, a neural network as described with reference to FIG network are used.
  • the neural network first determines the function for the i-th finite element where Au represents the shift of the finite element and ⁇ represents a disturbance value of the neural network (step t4).
  • the neural network receives the shifts associated with the ith element as the input matrix, as described above with reference to FIG.
  • the neural network then calculates the function f nn (AUi), ie here without an interference value (step t5).
  • weights and biases of the neural network are contained in the functions fnn.
  • the normalized stiffness components can be calculated using the equation
  • the global stiffness matrix K of the component is then updated with the updated element stiffness matrix K ei (step t8) and the global displacement matrix X for a respective increment is calculated with the FE equation solver (step t9). This procedure is repeated for a number of increments until a final force-balance loading state is reached. In each increment, the trained neural network can be invoked to determine stiffness components for one or more finite elements that have converged in the corresponding increment.
  • the mechanical behavior, i.e. the internal stress conditions, of the component can then be displayed on the basis of the solved system of equations for the component, e.g. visualized on a screen.
  • the internal forces of the component are determined in the forward direction by the trained neural network from the input layer to the output layer of the neural network (step t1 1) and in the backward direction the Jacobian matrix components of the material of the part are determined (step t12).
  • step t14 evolution of converged stiffnesses, state variables are directly mapped to normalized converged stiffness components.
  • the converged stiffness components thus obtained can be in the form of a component of the function of the trained neural network are defined, where f n i and u n m respectively represent the normalized generalized forces (f n i ) and displacements (u n m ).
  • the converged stiffnesses can be found by solving the equation transferred to x in physical quantities and then in the element stiffness matrix of the deforming member are used (step t15).
  • FIG. 8 shows a flow chart for a method in which a mechanical behavior of a component is represented, in which method a trained neural network supplies stiffness components for at least one finite element which is subject to deformation.
  • the method described below can be carried out, for example, with a system as described with reference to FIG.
  • geometry data are first provided which represent a geometry of a component (step s1).
  • the geometry data can represent the component, for example, as CAD (computer-aided design) mode ⁇ .
  • the geometry data is passed to an input interface and processed by an FE preprocessor.
  • the FE preprocessor divides the component into finite elements and assigns material properties and boundary conditions to the finite elements (step s2).
  • a system of equations is then set up for the component, which describes the mechanical behavior of the component and uses a global stiffness matrix to map displacements acting on the nodes to forces acting on the nodes (step s3).
  • the stiffness components are determined iteratively in a first run for a first increment, so that they represent only a first approximation to the actual stiffness components of the deformed component with geometry that has changed according to the deformation.
  • the areas of the component are preferably identified that deform under the influence of force beyond a predetermined amount (step s5). In doing so, it is determined whether a finite element belongs to an area of the component in which the component is subjected to deformation, or whether a finite element belongs to an area of the component in which the component is not deformed or only insignificantly deformed, i.e., in which the component does not change its geometry. On this basis, the component is divided into different areas for which the mechanical behavior of the component is determined in different ways.
  • the FE solver determines the actual stiffness components (step s6).
  • the Newton-Raphson solver is not used to determine the actual stiffness components of the finite elements shifting as a result of the deformation, but a trained neural network.
  • the stiffness components of the remaining finite elements that do not shift or only barely shift are not recalculated by the neural network, but remain unchanged as components of the global stiffness matrix.
  • the trained neural network receives state variables of the previous increment determined by the FE equation solver as an input vector, such as a strain tensor or a stress tensor.
  • the trained neural network supplies, as an output vector, already converged stiffness components of that or those finite elements that lie in a region of the component that is subject to deformation (step s7).
  • stiffness components of the deforming finite elements do not have to be determined in several iterations by the Newton-Raphson equation solver.
  • both the computing time required to determine the converged stiffness components and working memory capacities can be saved.
  • the element stiffness matrices of the deforming finite elements are then updated with the already converged stiffness components determined by the trained neural network. Since stiffness components that have already converged are determined by the trained neural network, no further iterations are necessary for this step.
  • the converged stiffness components can be determined by the trained neural network for a respective increment in just one step.
  • step s8 The converged stiffness components of those finite elements that lie in an area of the component that deforms under the load of the applied force are inserted into the global stiffness matrix (step s8) and the newly set up complete system of equations (step s9) is then derived from the FE Equation solver solved (step s10), i.e. the actual stiffness components are determined. This is done for one or
  • Figure 9 shows three curves representing the stiffness behavior of a beam compared to the stiffness behavior predicted by the FEM.
  • the comparison of the curves shows the effect of including the Jacobian matrix components of the neural network in the respective error function in the context of the Sobolev training.
  • the starting point is a beam with the modulus of elasticity E, the cross-sectional area A and the length L.
  • the element stiffness matrix can be in the form be set up.
  • the first curve 900 represents the stiffness behavior of the beam as predicted from the FEM. This curve 900 serves as a reference.
  • the curve 902 was generated on the basis of the output vector of a neural network trained according to the converged stiffness evolution approach, ie with the error function
  • This error function contains the Jacobian matrix components of the neural network.
  • the curve 904 was generated based on the output vector of a neural network trained according to the automatic differencing approach, ie with the error function
  • the curve 906 was generated on the basis of a neural network that was not trained according to Sobolev training and, accordingly, the Jacobi matrix components of the neural network were not taken into account during training.
  • FIG. 9 shows that the curves 902 and 904 match the reference curve 900 very well. However, when no Sobolev training is applied, the stiffness behavior predicted by the neural network differs very significantly from the stiffness behavior predicted by the FEM, as can be clearly seen from curve 906 .
  • a neural network that was trained using the Sobolev training described here or using the stiffness evolution approach allows resource-saving updating of the stiffness components of those finite elements within the framework of FEM that are assigned to a region of a component that deforms under the action of a force.
  • the system described here and the method described here thus enable an efficient representation of the internal states of a component.
  • Figure 10 shows a 2D simulation of a plate structure 1000.
  • the plate structure 1000 deforms from a non-deformed state 1004 to a deformed state 1006.

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Abstract

The invention relates to a system for ascertaining internal load states of a mechanical component under the effect of external forces. The system has the following components: - an input interface which is designed to receive geometry data that represents the component, - a finite element pre-processor which is designed to divide the component into finite elements and assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element, - a finite element equation solver which is designed to provide a global stiffness matrix for the component, said global stiffness matrix indicating how the elements of the component are deformed on the basis of the assigned material property and/or boundary condition, and to identify the regions in the component in which the component is deformed and other regions in which the geometry of the component remains substantially unchanged despite the influence of external forces, and - a finite element post-processor which is designed to display the internal load state of the mechanical component under the effect of external forces. The system additionally comprises at least one trained neural network, wherein the trained neural network is trained to determine stiffness components of an element stiffness matrix from at least one finite element of the component, and the finite element is preferably located in the region of the component in which the component is deformed under the effect of external forces, thus resulting in a change in the geometry of the component. The finite element equation solver is additionally designed to use the element stiffness matrix determined by the trained neural network for the deformed element in order to update the global stiffness matrix and determine the internal load state of the mechanical component under the effect of external forces on the basis of the updated global stiffness matrix.

Description

System zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils System for determining the internal load conditions of a mechanical component
Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte. The invention relates to a system and a method for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act on it.
Mechanische Bauteile wie z.B. Komponenten eines Fahrgestells oder eines Antriebs eines Fahrzeugs sollen im Einsatz nicht versagen. Daher werden Bauteile während eines Ent- Wicklungsprozesses z.B. getestet und infolge einwirkender Kräfte auftretende Verformungen werden mit Dehnmessstreifen erfasst. Welche Spannungen im Inneren eines Bauteils wirken, kann jedoch nicht - zumindest nicht ohne weiteres - gemessen werden. Daher ist es zum Beispiel bekannt, Plexiglasmodelle mechanischer Bauteile einer äußeren Kraft auszusetzen und Spannungen im Plexiglas unter polarisiertem Licht zu beobachten. Auch dieses Verfahren hat sehr enge Grenzen, vor allem, weil die tatsächlichen Bauteile in der Regel nicht aus Plexiglas bestehen. Auch können mechanische Bauteile komplexe Geometrien aufweisen und vielfältigen, teils hohen und sich überlagernden Kräften ausgesetzt sein. Zum Beispiel ist eine Antriebswelle bei der Drehmomentübertragung regelmäßig Mechanical components such as components of a chassis or a drive of a vehicle should not fail in use. For this reason, components are tested during a development process, for example, and deformations that occur as a result of acting forces are recorded with strain gauges. However, it is not possible - at least not easily - to measure the stresses that act inside a component. It is therefore known, for example, to subject plexiglass models of mechanical components to an external force and to observe stresses in the plexiglass under polarized light. This method also has very narrow limits, mainly because the actual components are usually not made of Plexiglas. Mechanical components can also have complex geometries and be exposed to diverse, sometimes high and overlapping forces. For example, a drive shaft is regular in torque transmission
ERSATZBLATT (REGEL 26) Quer- und Längskräften, sowie Lagerkräften ausgesetzt. Für den Betrieb muss eine Antriebswelle entsprechend so ausgelegt werden, dass sie den einwirkenden Kräften auf Dauer standhält und nicht bricht. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Exposed to lateral and longitudinal forces as well as bearing forces. For operation, a drive shaft must be designed in such a way that it withstands the forces acting on it over the long term and does not break.
Für die Belastbarkeit eines Bauteils sind die inneren Belastungszustände in dem Bauteil entscheidend, die sich infolge von außen auf das Bauteil einwirkender Kräfte ergeben. Innere Belastungszustände sind aber insbesondere bei Bauteilen mit komplexer Geometrie oder bei Verbundbauteilen, die aus unterschiedlichen Materialen bestehen, schwer vorhersagbar, so dass bei der Konstruktion oft vereinfachende Annahmen getroffen werden. Dies führt häufig zu einer Überdimensionierung der Bauteile, gelegentlich aber auch zu einem unerwarteten Versagen im Betrieb. The internal load conditions in the component, which result from external forces acting on the component, are decisive for the resilience of a component. However, internal stress conditions are difficult to predict, especially in the case of components with complex geometry or composite components made of different materials, so that simplifying assumptions are often made in the design. This often leads to oversizing of the components, but occasionally also to an unexpected failure in service.
Deshalb werden häufig Prototypen gefertigt und den zu erwartenden Krafteinwirkungen ausgesetzt. Anhand des mechanischen Verhaltens des Prototypens unter der zu erwartenden Krafteinwirkung lässt sich dann erkennen, an welchen Stellen der Prototyp noch verbessert werden sollte. Beim Testen von Prototypen oder auch Serienprodukten können aber durch einwirkende äußere Kräfte hervorgerufene innere Belastungszustände nicht einfach erfasst, insbesondere nicht direkt gemessen werden. Die inneren Belastungszustände, wie z.B. innere Spannungen, innere Dehnungen und daraus resultierende Verformungen des Bauteils, sind in der Regel nämlich nicht einfach zugänglich und somit nicht einfach zu ermitteln. Sie hängen unter anderem von dem Betrag und der Richtung der von außen einwirkenden Kräfte, der tatsächlich vorliegenden Geometrie des Bauteils als auch von dessen Werkstoffeigenschaften ab. Insbesondere die Werkstoffeigenschaften können aufgrund des Herstellungsprozesses des Bauteils auch räumlich innerhalb des Bauteils variieren. Erschwerend kann hinzukommen, dass mechanische Bauteile nicht aus nur einem isotropen Material bestehen können, sondern beispielsweise Verbundkomponenten aufweisen können, z.B. Schichtsysteme mit Schichten aus unterschiedlichen Materialien. Wenn nun die inneren Belastungszustände solcher Verbundkomponenten unter Einwirken äußerer Kräfte ermittelt werden sollen, ist es oftmals erforderlich, das mechanische Verhalten der einzelnen Materialien und auch die Wechselwirkung mit den übrigen Materialien zu berücksichtigen. Dabei kommt es auch entscheidend auf die Geometrie des mechanischen Bauteils und die Anordnung der unterschiedlichen Materialien in dem Bauteil an.For this reason, prototypes are often manufactured and exposed to the expected impact of forces. Based on the mechanical behavior of the prototype under the expected force, it can then be seen at which points the prototype should be improved. When testing prototypes or series products, however, internal stress conditions caused by external forces cannot be easily recorded, and in particular cannot be measured directly. The internal load conditions, such as internal stresses, internal strains and the resulting deformations of the component, are usually not easily accessible and therefore not easy to determine. They depend, among other things, on the magnitude and direction of the external forces, the actual geometry of the component and its material properties. In particular, the material properties can also vary spatially within the component due to the manufacturing process of the component. A further complication can be that mechanical components cannot consist of just one isotropic material, but can, for example, have composite components, e.g. layer systems with layers made of different materials. If the internal stress states of such composite components are to be determined under the influence of external forces, it is often necessary to take into account the mechanical behavior of the individual materials and also the interaction with the other materials. The geometry of the mechanical component and the arrangement of the different materials in the component are also crucial.
Insbesondere bei komplexen Bauteilen kann es erforderlich sein vergleichsweise viele Tests an Prototypen durchzuführen bis das finale Produkt die gewünschten Eigenschaften aufweist. In the case of complex components in particular, it may be necessary to carry out a comparatively large number of tests on prototypes until the final product has the desired properties.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Um die inneren Belastungszustände zu ermitteln und darzustellen werden regelmäßig Untersuchungen eines Bauteils an einem Prüfstand durchgeführt, die durch Simulationswerkzeuge ergänzt werden. Konkret kann ein Bauteil auf einem Prüfstand äußeren Kräften ausgesetzt werden und es können die daraus resultierenden Verformungen des Bauteils gemessen werden. Da die inneren Belastungszustände messtechnisch nicht - zumindest nicht ohne weiteres - zugänglich sind, müssen die inneren Belastungszustände aus den eingeleiteten äußeren Kräften und den daraus resultierenden Verformungen abgeleitet werden. Dies ist besonders dann schwierig, wenn die inneren Belastungszustände zu Mate rial versag en im Inneren eines Bauteils führen, so dass beispielsweise im Inneren des Bauteils auftretende Risse von außen nicht erkennbar sind. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) In order to determine and represent the internal stress conditions, a component is regularly examined on a test bench, which is supplemented by simulation tools. In concrete terms, a component can be exposed to external forces on a test bench and the resulting deformations of the component can be measured. Since the internal load conditions cannot be measured - at least not easily - the internal load conditions must be derived from the applied external forces and the resulting deformations. This is particularly difficult when the internal stress conditions lead to material failure inside a component, so that cracks occurring inside the component, for example, cannot be seen from the outside.
Eine Methode, die es ermöglicht innere Belastungszustände eines mechanischen Bauteils unter Einwirkung äußerer Kräfte zu ermitteln, ist die Finite Elemente Methode, kurz FEM. Die FEM ermöglicht es die inneren Belastungszustände in einem mechanischen Bauteil unter Einwirkung vorgegebener äußerer Kräfte zu ermitteln. A method that makes it possible to determine the internal stress conditions of a mechanical component under the influence of external forces is the finite element method, or FEM for short. The FEM makes it possible to determine the internal load conditions in a mechanical component under the influence of specified external forces.
Der Grundgedanke der FEM ist es, beispielsweise ein mechanisches Bauteil als aus einer Vielzahl kleiner Elemente bestehend zu betrachten, die sich aufgrund der Einwirkung benachbarter Elemente bei auf das Bauteil einwirkenden äußeren Kräften verformen und verschieben sowie inneren mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die resultierenden Verschiebungen der Elemente - und damit die Verformung des Bauteils - sowie die dabei in bzw. zwischen den (finiten) Elementen herrschenden inneren Spannungen können dann graphisch dargestellt werden. The basic idea of FEM is to consider, for example, a mechanical component as consisting of a large number of small elements that deform and move due to the action of neighboring elements when external forces act on the component and are exposed to internal mechanical stresses. The resulting displacements of the elements - and thus the deformation of the component - as well as the internal stresses that prevail in or between the (finite) elements can then be displayed graphically.
Zum Durchführen der FEM werden in der Regel ein finite Elemente (FE)-Präprozessor, ein FE-Gleichungslöser und ein FE-Postprozessor eingesetzt. Zunächst wird dafür ein Modell des mechanischen Bauteils erstellt, das bereits die tatsächlichen Aspektverhältnisse des mechanischen Bauteils aufweist. Ein großer Vorteil der FEM besteht darin, dass auch die Eigenschaften der Materialien, aus denen die Komponenten des mechanischen Bauteils gefertigt sind, in das Modell mit einfließen und für die Bestimmung innerer Belastungszustände berücksichtigt werden können. Es kann also beispielsweise auch ein Verbundbauteil aus Schichten aus unterschiedlichen Materialien untersucht werden. A finite element (FE) preprocessor, a FE solver, and a FE postprocessor are typically used to perform the FEM. First, a model of the mechanical component is created that already shows the actual aspect ratios of the mechanical component. A great advantage of the FEM is that the properties of the materials from which the components of the mechanical component are made are also included in the model and can be taken into account for the determination of internal stress states. For example, a composite component made of layers of different materials can also be examined.
Dafür unterteilt ein FE-Präprozessor das Bauteil in finite Elemente, denen jeweils Materialeigenschaften und Randbedingungen zugewiesen werden können. Ein FE- Gleichungslöser stellt für das Bauteil ein Gleichungssystem auf, das beschreibt, wie sich die finiten Elemente unter Krafteinwirkung verformen und verschieben und welche inneren Kräfte dabei zwischen den Elementen auftreten. Dieses finite Elemente Modell kann der For this purpose, an FE preprocessor divides the component into finite elements, to which material properties and boundary conditions can be assigned. An FE equation solver creates a system of equations for the component that describes how the finite elements deform and move under the influence of force and which internal forces occur between the elements. This finite element model can
ERSATZBLATT (REGEL 26) FE-Gleichungslöser iterativ lösen und so die im Inneren des Bauteils bei äußerer Krafteinwirkung auftretenden Spannungen und Verformungen bestimmen. Der FE-Postprozessor kann dann eine graphische Darstellung generieren, die die inneren Belastungszustände, insbesondere die inneren mechanischen Spannungen, repräsentiert und somit den gewünschten Blick in das Innere des Bauteiles erlaubt. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Solve the FE equation solver iteratively and thus determine the stresses and deformations that occur inside the component when external forces are applied. The FE post-processor can then generate a graphical representation that represents the internal stress conditions, in particular the internal mechanical stresses, and thus allows the desired view of the interior of the component.
Eine technische Herausforderung stellt die Tatsache dar, dass der FE-Gleichungslöser die auftretenden Verschiebungen, Spannungen und Kräfte nur iterativ löst, was zu einem erheblichen Ressourcenaufwand sowohl hinsichtlich Rechen- und Speicherkapazität als auch hinsichtlich der Zeit führt. A technical challenge is the fact that the FE solver solves the occurring displacements, stresses and forces only iteratively, which leads to a considerable expenditure of resources in terms of computing and storage capacity as well as in terms of time.
Daher besteht neben dem Wunsch, innere Zustände eines mechanischen Bauteils anzuzeigen auch der Wunsch, dies mit möglichst geringen Ressourcenaufwand in möglichst kurzer Zeit zu bewerkstelligen. Therefore, in addition to the desire to display the internal states of a mechanical component, there is also a desire to do this with as few resources as possible in the shortest possible time.
Die finiten Elemente haben im Vergleich zu dem Bauteil, das durch die Vielzahl der finiten Elemente repräsentiert wird, typischerweise eine vergleichsweise einfache Geometrie, z.B. die Form eines Hexaeders oder eines Tetraeders, so dass sich das mechanische Verhalten der einzelnen finiten Elemente deutlich leichter bestimmen lässt, als dasjenige das kompletten Bauteils. Compared to the component that is represented by the large number of finite elements, the finite elements typically have a comparatively simple geometry, e.g. the shape of a hexahedron or a tetrahedron, so that the mechanical behavior of the individual finite elements can be determined much more easily, than that of the complete component.
Finite Elemente werden durch Knoten in einer Art Gittermodell repräsentiert. Den Knoten werden Materialeigenschaften, wie z.B. bei einer linearen Beziehung zwischen Spannung und Dehnung ein Elastizitätsmodul und eine Poissonzahl, sowie Randbedingungen zugewiesen. Die Randbedingungen können z.B. eine äußere Kraft umfassen und wirken an den Knoten des FEM-Modells. Finite elements are represented by nodes in a kind of mesh model. Material properties, such as a Young's modulus and a Poisson's ratio for a linear relationship between stress and strain, as well as boundary conditions are assigned to the nodes. The boundary conditions can, for example, include an external force and act on the nodes of the FEM model.
Weiterhin wird für jedes finite Element eine Anzahl Ansatzfunktionen definiert. Die Ansatzfunktionen beschreiben die Verschiebung der Knoten und dazwischenliegender Punkte. Die Ansatzfunktionen sind so definiert, dass die Übergänge zwischen den finiten Elementen stetig sind. Eine einfache Ansatzfunktion, für einen Zugstab kann wie folgt definiert werden u(x)=(1 -X/L)*UI+(X/L)*UJ Furthermore, a number of shape functions are defined for each finite element. The shape functions describe the displacement of the nodes and points in between. The shape functions are defined in such a way that the transitions between the finite elements are continuous. A simple shape function for a tension member can be defined as follows u(x)=(1 -X/L)*UI+(X/L)*UJ
Sie enthält die Verschiebungen ui und uj an den Knoten I und J als Unbekannte. Hierbei bezeichnet x den Ort zwischen den beiden Knoten I und J und L den Abstand zwischen den Knoten. Bei x=0 entspricht die Verschiebung der Verschiebung ui des Knotens I und bei x=L entspricht die Verschiebung der Verschiebung uj des Knotens J. It contains the displacements ui and uj at nodes I and J as unknowns. Here x denotes the location between the two nodes I and J and L the distance between the nodes. At x=0 the displacement corresponds to the displacement ui of node I and at x=L the displacement corresponds to the displacement uj of node J.
ERSATZBLATT (REGEL 26) lm allgemeinen Fall umfassen die Ansatzfunktionen in der Regel Polynome ersten zweiten, dritten oder höheren Grades und beschreiben dabei mathematisch wie ein finites Element auf äußere Einflüsse, wie z.B. eine von außen auf das Bauteil ausgeübte mechanische Kraft, reagiert. Als Ansatzfunktion wird regelmäßig ein lokaler Ritz-Ansatz gewählt. Die Ansatzfunktionen müssen bei dem Übergang von einem finiten Element zu einem benachbarten finiten Element Stetigkeitsbedingungen erfüllen und enthalten die Knoten des finiten Elements als Parameter. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) In the general case, the formulation functions generally include polynomials of the first, second, third or higher degree and describe mathematically how a finite element reacts to external influences, such as a mechanical force exerted on the component from the outside. A local Ritz approach is regularly selected as the approach function. The shape functions have to fulfill continuity conditions in the transition from a finite element to a neighboring finite element and contain the nodes of the finite element as parameters.
Mittels der Ansatzfunktionen eines finiten Elements kann für jedes finite Element ein Gleichungssystem aufgestellt werden, das eine Elementsteifigkeitsmatrix umfasst, die die Knoten als Unbekannte enthält. Using the shape functions of a finite element, a system of equations can be set up for each finite element, which includes an element stiffness matrix that contains the nodes as unknowns.
Die Dimension der Elementsteifigkeitsmatrix entspricht dabei der Anzahl der Freiheitsgrade der Knoten, im dreidimensionalen Fall also sechs Freiheitsgraden. In der FEM wird für jedes einzelne finite Element eine Elementsteifigkeitsmatrix aufgestellt. The dimension of the element stiffness matrix corresponds to the number of degrees of freedom of the nodes, i.e. six degrees of freedom in the three-dimensional case. In the FEM, an element stiffness matrix is set up for each individual finite element.
Die Summe aller Elementsteifigkeitsmatrizen ergibt eine globale Steifigkeitsmatrix die das Bauteil beschreibt und deren Besetzung von der Geometrie des Bauteils abhängt. Alle Elementsteifigkeitsmatrizen haben dieselbe Dimension wie die globale Steifigkeitsmatrix.The sum of all element stiffness matrices results in a global stiffness matrix that describes the component and whose occupation depends on the geometry of the component. All element stiffness matrices have the same dimension as the global stiffness matrix.
Wenn die Elementsteifigkeitsmatrizen der einzelnen finiten Elemente zu der globalen Steifigkeitsmatrix des Bauteils zusammengefasst werden, kann ein lineares Gleichungssystem der Form If the element stiffness matrices of the individual finite elements are combined to form the global stiffness matrix of the component, a linear system of equations of the form
K*X=F aufgestellt werden, wobei K die globale Steifigkeitsmatrix, X die Verschiebungsmatrix und F die Kraftmatrix ist. Die globale Steifigkeitsmatrix bildet die Verschiebungen an den Knoten auf die an den Knoten wirkenden Kräfte ab. Die Komponenten einer Steifigkeitsmatrix heißen Steifigkeitskomponenten. K*X=F where K is the global stiffness matrix, X is the displacement matrix and F is the force matrix. The global stiffness matrix maps the displacements at the nodes to the forces acting on the nodes. The components of a stiffness matrix are called stiffness components.
Durch eine äußere Kraft, die auf das Bauteil wirkt, kann sich das Bauteil verformen. Die Verformung des Bauteils führt dazu, dass sich in dem finite-Element des Bauteils die Knotenpositionen relativ zueinander ändern. Mit der FEM wird die Verschiebung an den Knoten ausgewertet und die Verschiebung an Raumpunkten, an denen sich kein Knoten befindet, zwischen den nächstliegenden Knoten interpoliert. Die Verschiebung der finiten Elemente impliziert die Verformung des Bauteiles und führt dazu, dass sich auch die Komponenten der Elementsteifigkeitsmatrizen - also die Steifigkeitskomponenten - verändern. The component can be deformed by an external force acting on the component. The deformation of the component causes the node positions in the finite element of the component to change relative to one another. With the FEM, the displacement at the nodes is evaluated and the displacement at points in space where there is no node is interpolated between the nearest nodes. The displacement of the finite elements implies the deformation of the component and causes the components of the element stiffness matrices - i.e. the stiffness components - to change as well.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Bei der Ermittlung des mechanischen Verhaltes eines einzelnen finiten Elements des Bauteils werden Randbedingungen sowie die Auswirkung des mechanischen Verhaltens der benachbarten finiten Elemente berücksichtigt. Es wird berücksichtigt, wie sich Kräfte und weitere Randbedingungen auf die einzelnen finiten Elemente auswirken, in dem Bauteil fortpflanzen und auf benachbarte finite Elemente auswirken. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) When determining the mechanical behavior of an individual finite element of the component, boundary conditions and the effect of the mechanical behavior of the neighboring finite elements are taken into account. It takes into account how forces and other boundary conditions affect the individual finite elements, propagate in the component and affect neighboring finite elements.
Mit einem FE-Gleichungslöser wird das Gleichungssystem K*X=F in der Regel iterativ gelöst, um so Verformungen des Bauteils auf Basis der Verschiebungen der finiten Elemente sowie die dabei auftretenden inneren mechanischen Spannungen zu bestimmen. The system of equations K*X=F is usually solved iteratively with an FE equation solver in order to determine deformations of the component based on the displacements of the finite elements and the resulting internal mechanical stresses.
Dabei geht ein FE-Gleichungslöser typischerweise so vor, dass dieser in mehreren Inkrementen und für jedes Inkrement iterativ das Gleichungssystem K*X=F löst. Jedes Inkrement repräsentiert dabei einen bestimmten Belastungszustand, man spricht auch von einem Belastungsinkrement. Es werden nacheinander verschiedene Belastungszustände bestimmt, die jeweils von dem vorherigen Belastungszustand ausgehen und sich einem finalen Belastungszustand im Kräftegleichgewicht annähern. Wenn der Belastungszustand im Kräftegleichgewicht ermittelt wurde, ist die Lösung für das mechanische Verhalten eines Bauteils unter Einwirken äußerer Kräfte gefunden. An FE equation solver typically proceeds in such a way that it iteratively solves the system of equations K*X=F in several increments and for each increment. Each increment represents a specific load condition, also referred to as a load increment. Various load states are determined one after the other, each starting from the previous load state and approaching a final load state in equilibrium of forces. If the load condition has been determined in the equilibrium of forces, the solution for the mechanical behavior of a component under the influence of external forces has been found.
Zum iterativen Lösen des Gleichungssystems K*X=F in einem jeweiligen Inkrement umfasst der FE-Gleichungslöser in der Regel einen Newton-Raphson-Gleichungslöser.For the iterative solution of the system of equations K*X=F in a respective increment, the FE equation solver usually includes a Newton-Raphson equation solver.
Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt iterativ, weil die auftretenden Verformungen dazu führen, dass sich auch die Steifigkeitskomponenten in den Elementsteifigkeitsmatrizen und damit in der globalen Steifigkeitsmatrix ändern. Dabei sollte mit jeder Iteration die Abweichung der gefundenen Lösung von der vorherigen Lösung geringer werden, so dass die Näherung konvergiert und sich der tatsächlichen Lösung für das jeweilige Inkrement annähert. Das iterative Bestimmen der neuen Steifigkeitskomponente kann unter Umständen viel Zeit beanspruchen. Dieser Schritt auf dem Weg zur Darstellung innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils allein kann daher zu einer signifikanten Verlängerung führen und entsprechend über längere Zeit Rechenkapazitäten binden. The system of equations is solved iteratively because the deformations that occur cause the stiffness components in the element stiffness matrices and thus in the global stiffness matrix to change as well. With each iteration, the deviation of the solution found from the previous solution should decrease, so that the approximation converges and approaches the actual solution for the respective increment. The iterative determination of the new stiffness component can sometimes take a long time. This step alone on the way to representing the internal load conditions of a mechanical component can therefore lead to a significant extension and accordingly tie up computing capacities for a longer period of time.
Aus dem mechanischen Verhalten der einzelnen finiten Elemente kann so auf das mechanische Verhalten des gesamten Bauteils geschlossen werden. The mechanical behavior of the entire component can be deduced from the mechanical behavior of the individual finite elements.
Je nach Komplexität des Bauteils und der Anzahl der Knoten kann das iterative Lösen des Gleichungssystems K*X=F mit dem FE-Gleichungslöser je nach verfügbarer Rechenkapazität mehrere Stunden oder sogar Tage beanspruchen. Zudem ist nicht sichergestellt, dass sich die iterativ gefundenen Lösungen der tatsächlichen Lösung überhaupt annähern, das Depending on the complexity of the component and the number of nodes, the iterative solution of the system of equations K*X=F with the FE equation solver can take several hours or even days, depending on the available computing capacity. In addition, there is no guarantee that the solutions found iteratively come close to the actual solution
ERSATZBLATT (REGEL 26) heißt, ob die iterativ gefundenen Lösungen konvergieren. Es kann sein, dass die Berechnung solange wiederholt wird, bis ein Abbruchkriterium erfüllt wird, falls ein solches Abbruchkriterium überhaupt definiert ist. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) means whether the iteratively found solutions converge. It may be that the calculation is repeated until a termination criterion is met, if such a termination criterion is defined at all.
Um die zum iterativen Lösen des Gleichungssystems K*X=F benötigte Zeit zu verkürzen wurde vorgeschlagen, einzelne, der Simulation zugrundeliegende Materialgesetze durch ein trainiertes neuronales Netz (NN) zu ersetzen. In order to shorten the time required for the iterative solution of the system of equations K*X=F, it was proposed to replace individual material laws underlying the simulation with a trained neural network (NN).
Beispielsweise wurde in dem Artikel „Artificial neural networks and intelligent finite elements in non-linear structural mechanics“ von M. Stoffel et al. erschienen in Thin-Walled Structures 131 (2018) 102-106, vorgeschlagen, einzelne Materialgesetze wie, z.B. dasjenige der Viskoplastizität in den Auswertepunkten der Gauß-Quadratur, durch ein trainiertes neuronales Netz zu ersetzen. Dadurch sind Beziehungen zwischen Zustandsvariablen, z.B. zwischen Spannung und Dehnung, bereits bekannt bevor die eigentliche FEM- Simulation gestartet wird und müssen nicht iterativ durch den FE-Gleichungslöser bestimmt werden. For example, in the article "Artificial neural networks and intelligent finite elements in non-linear structural mechanics" by M. Stoffel et al. published in Thin-Walled Structures 131 (2018) 102-106, proposed replacing individual material laws such as that of viscoplasticity in the evaluation points of Gaussian quadrature with a trained neural network. This means that relationships between state variables, e.g. between stress and strain, are already known before the actual FEM simulation is started and do not have to be determined iteratively by the FE equation solver.
In der Doktorarbeit „Smart Finite Elements: An Application of Machine Learning to reduced- order Modeling of Multi-Scale Problems“ von German Capuano, Georgia Tech Theses and Dissertations [22684], wird vorgeschlagen eine FEM-Simulation durch Verwenden sogenannter „smarter“ finiter Elemente zu beschleunigen. Ein „smartes“ finite Elemente approximiert die inneren Kräfte eines herkömmlichen finiten Elements und wird durch ein trainiertes neuronales Netz repräsentiert. In the doctoral thesis "Smart Finite Elements: An Application of Machine Learning to reduced-order Modeling of Multi-Scale Problems" by German Capuano, Georgia Tech Theses and Dissertations [22684], an FEM simulation is proposed by using so-called "smarter" finite accelerate items. A "smart" finite element approximates the internal forces of a conventional finite element and is represented by a trained neural network.
Jedoch kann es bei plastischen Verformungen eines mechanischen Bauteils unter Einwirken äußerer Kräfte vorkommen, dass mit der bekannten FEM Ansätzen keine Lösung für den inneren Belastungszustand gefunden werden kann, weil die bekannten FEM Ansätze nicht konvergieren. Beispielsweise kann regelmäßig ein physikalisch nichtlineares Materialverhalten, wie z.B. eine Schädigung eines Bauteils durch Risse, nicht mit bekannten FEM Ansätzen bestimmt werden. Auch vergleichsweise große geometrische Verformungen, wie sie beispielsweise die Verformung einer Karosserie bei einem Crashtest auftreten, können regelmäßig nicht mit bekannten FEM Ansätzen ermittelt werden. However, in the case of plastic deformation of a mechanical component under the influence of external forces, it can happen that no solution can be found for the internal load condition with the known FEM approaches because the known FEM approaches do not converge. For example, a physically non-linear material behavior, such as damage to a component through cracks, cannot be determined with known FEM approaches. Even comparatively large geometric deformations, such as the deformation of a car body during a crash test, can regularly not be determined with known FEM approaches.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren anzugeben, das ein Ermitteln innerer Belastungszustände eines Bauteils im Falle des Einwirkens äußerer Kräfte mit möglichst geringen Ressourcen- und Zeitaufwand ermöglicht. The invention is based on the object of specifying a system and a method that make it possible to determine the internal stress states of a component when external forces act with the least possible expenditure of resources and time.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Gemäß der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe ein System vorgeschlagen, das eine Eingabe-Schnittstelle, einen finite Elemente-Präprozessor, einen finite Elemente-Glei- chungslöser, und einen finite Elemente-Postprozessor aufweist. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) According to the invention, a system is proposed to solve the problem, which has an input interface, a finite element preprocessor, a finite element equation solver, and a finite element postprocessor.
Die Eingabe-Schnittstelle ist ausgebildet, Geometriedaten zu empfangen, die das Bauteil repräsentieren. The input interface is designed to receive geometry data that represent the component.
Der finite Elemente-Präprozessor ist ausgebildet, das Bauteil in finite Elemente zu unterteilen, und wenigsten einem Element wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung zuzuweisen. The finite element preprocessor is designed to subdivide the component into finite elements and to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element.
Der finite Elemente-Gleichungslöser ist ausgebildet, eine globale Steifigkeitsmatrix für das Bauteil aufzustellen, die angibt, wie sich die Elemente des Bauteils aufgrund der zugewiesenen Materialeigenschaft und/oder Randbedingung verformen, und in dem Bauteil solche Bereiche zu identifizieren, in denen sich das Bauteil verformt und andere Bereiche zu identifizieren, in denen eine Geometrie des Bauteils trotz Einwirken äußerer Kräfte im Wesentlichen unverändert bleibt. The finite element solver is configured to generate a global stiffness matrix for the part that specifies how the elements of the part deform due to the assigned material property and/or boundary condition and to identify areas in the part where the part deforms and to identify other areas in which a geometry of the component remains essentially unchanged despite the action of external forces.
Der finite Elemente-Postprozessor ist ausgebildet, den inneren Belastungszustand des mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte bildlich darzustellen. The finite element post processor is designed to visualize the internal stress state of the mechanical component when external forces are applied.
Das System umfasst weiterhin wenigstens ein trainiertes neuronales Netz. Das neuronale Netz ist trainiert, Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix von wenigstens einem finiten Element des Bauteils zu bestimmen, und zwar vorzugsweise für ein finites Element, das sich in demjenigen Bereich des Bauteils befindet, in dem sich das Bauteil beim Einwirken äußerer Kräfte verformt und somit seine Geometrie ändert. The system further includes at least one trained neural network. The neural network is trained to determine stiffness components of an element stiffness matrix of at least one finite element of the component, preferably for a finite element that is located in that area of the component in which the component deforms when external forces are applied and thus its geometry changes.
Der finite Elemente-Gleichungslöser ist weiterhin ausgebildet, die von dem trainierten neuronalen Netz für das verformte Element bestimmte Elementsteifigkeitsmatrix zum Aktualisieren der globalen Steifigkeitsmatrix zu verwenden und den inneren Belastungszustand des mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte auf Basis der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix zu bestimmen. The finite element solver is further configured to use the element stiffness matrix determined by the trained neural network for the deformed element to update the global stiffness matrix and to determine the internal stress state of the mechanical component when external forces are applied based on the updated global stiffness matrix.
Der FE-Gleichungslöser ist insbesondere dazu ausgebildet, die sich für ein jeweiliges Inkrement ändernden Steifigkeitskomponenten der Elementsteifigkeitsmatrizen mittels eines trainierten neuronalen Netzes zu bestimmen. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das trainierte neuronale Netz in jedem Inkrement aufgerufen wird und mit dem trainierten neuronalen Netz direkt konvergierte Steifigkeitskomponenten für ein jeweiliges finites Element The FE equation solver is designed in particular to determine the stiffness components of the element stiffness matrices that change for a respective increment by means of a trained neural network. This is done in particular by calling up the trained neural network in each increment and using the trained neural network directly converged stiffness components for a respective finite element
ERSATZBLATT (REGEL 26) bestimmt werden. Da das trainierte neuronale Netz bereits konvergierte Steifigke its omponenten bestimmt, sind in dem jeweiligen Inkrement keine weiteren Iterationen nötig, um konvergierte Steifigke its omponenten zu bestimmen. Das ist möglich, weil das neuronale Netz so trainiert ist, dass es bereits konvergierte Steifigke its Komponenten bestimmen kann. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) to be determined. Since the trained neural network already determines the converged stiffness of its components, no further iterations are necessary in the respective increment in order to determine the converged stiffness of its components. This is possible because the neural network is trained in such a way that it can already determine the converged stiffness of its components.
Im Gegensatz zu einem Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils mit der bekannten FEM, ist es mit dem erfindungsgemäßen System nicht notwendig, das Gleichungssystem K*X=F in jedem Inkrement iterativ zu lösen. Stattdessen kann in jedem Inkrement das Gleichungssystem K*X=F direkt unter Verwendung der von dem trainierten neuronalen Netz bestimmten konvergierten Steifigke its Komponenten gelöst werden. Die Verwendung bereits konvergierter Steifigkeitskomponenten hat den Vorteil, dass die FEM stets konvergiert und eine Lösung gefunden werden kann. Insbesondere kann für solche Probleme eine Lösung gefunden werden, an denen bekannte FEM Ansätze regelmäßig scheitert, z.B. weil nichtlineare plastische oder geometrische Verformungen auftreten, so dass die bekannte FEM nicht zu einer Lösung konvergiert. In contrast to determining the internal stress states of a mechanical component with the known FEM, with the system according to the invention it is not necessary to iteratively solve the system of equations K*X=F in each increment. Instead, in each increment, the equation system K*X=F can be solved directly using the converged stiffness of its components determined by the trained neural network. The use of stiffness components that have already converged has the advantage that the FEM always converges and a solution can be found. In particular, a solution can be found for such problems where known FEM approaches regularly fail, e.g. because non-linear plastic or geometric deformations occur, so that the known FEM does not converge to a solution.
Bei dem System werden insbesondere die in jedem Inkrement auftretenden Verschiebungen für ein mechanisches Bauteil wie bei einer herkömmlichen FEM bestimmt. Jedoch können die Verschiebungen für jedes Inkrement schneller bestimmt werden, da die inneren Belastungszustände eines Bauteils in jedem Inkrement direkt mittels der von dem neuronalen Netz bestimmten konvergierten Steifigke its Komponenten bestimmt werden können.In the system, in particular, the displacements occurring in each increment for a mechanical component are determined as in a conventional FEM. However, the displacements for each increment can be determined faster because the internal stress states of a member in each increment can be determined directly using the converged stiffness of its components determined by the neural network.
Die Erfindung beruht auf den Überlegungen, dass es im Fall von Materialgesetzen möglich ist, Evolutionsgleichungen, die die Entwicklung von Zustandsvariablen für inelastisches Materialverhalten beschreiben, durch künstliche neuronale Netze mathematisch zu approximieren. Möchte man einen Schritt weitergehen und auch lokale Steifigkeitskomponenten durch neuronale Netze ersetzen, kann man die Komponenten der Gleichgewichtsbedingung K*X=F in der Form ausdrücken. Hierbei befinden sich auf der rechten Seite der letzteren Gleichung die generalisierten Kraftkomponenten, die durch eine Aktivierungsfunktion A ausgedrückt werden. Die Aktivierungsfunktion wird bei geometrisch und/oder physikalisch nichtlinearen mechanischen Verformungen typischerweise ebenso nichtlinear sein und hängt von den generalisierten Verschiebungen ut und den Gewichten ab. Die Gewichte können während eines Trainings optimiert werden und stellen physikalisch eine alternative Beschreibung der Steifigke its Komponenten dar, sodass man auf diese Weise Steifigke its Komponenten durch neuronale Netze ersetzen kann. The invention is based on the consideration that, in the case of material laws, it is possible to use artificial neural networks to mathematically approximate evolution equations that describe the development of state variables for inelastic material behavior. If you want to go one step further and also replace local stiffness components with neural networks, you can use the components of the equilibrium condition K*X=F in the form to express. Here, on the right side of the latter equation are the generalized force components, which are expressed by an activation function A. In the case of geometrically and/or physically nonlinear mechanical deformations, the activation function will typically also be nonlinear and depends on the generalized displacements u t and the weights. The weights can be optimized during a workout and physically represent an alternative description of the stiffness of its components, so that in this way one can replace stiffness of its components with neural networks.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass ein wie vorstehend beschriebenes Ersetzen der Steifigkeitskomponenten durch neuronale Netze zu einem mathematischen Problem bei der Lösung des der FEM zugrunde liegenden Gleichungssystems K*X=F führen kann, in dem man nun die Steifigkeitskomponenten durch die Gewichtungen ausdrücken und nach dem Verschiebungsvektor X auflösen muss. Dieses sonst in der FEM übliche Vorgehen wird in diesem Fall durch die Verwendung nichtlinearer Aktivierungsfunktionen, die für geometrisch und/oder physikalisch nichtlineares Struktur- und Materialverhalten notwendig sind, erschwert bzw. verhindert. Dieses Problem kann weiter verkompliziert werden, wenn zusätzliche verborgene Schichten in einem Netzwerk vorhanden sind. In diesem Fall würden sich innerhalb der Aktivierungsfunktion weitere verschachtelte nichtlineare Funktionen befinden, die ein Auflösen der Gleichgewichtsbedingungen nach den gesuchten Verschiebungen verkomplizieren oder unmöglich machen können. Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen System dadurch umgangen, dass das neuronale Netz so trainiert ist, dass mit diesem direkt konvergierte Steifigkeitskomponenten für ein finites Element bestimmt werden können. Mit auf diese Weise aktualisierten Elementsteifigkeitsmatrizen kann die globale Steifigkeitsmatrix aktualisiert und mit dieser die globale Verschiebungsmatrix bestimmt werden. Mit dem System ist es somit möglich auch geometrisch und/oder physikalisch nichtlineares Struktur- und Mate rial verhalten in einem mechanischen Bauteil zu ermitteln, das mit herkömmlicher FEM nicht ermittelt werden konnte, weil die FEM nicht zu einer Lösung konvergiert. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The invention is now based on the finding that replacing the stiffness components with neural networks as described above can lead to a mathematical problem in solving the system of equations K*X=F on which the FEM is based, in which the stiffness components are now replaced by the weightings express and solve for the displacement vector X. In this case, this procedure, which is otherwise common in FEM, is made more difficult or prevented by the use of non-linear activation functions, which are necessary for geometrically and/or physically non-linear structure and material behavior. This problem can be further complicated when additional hidden layers are present in a network. In this case, there would be further nested non-linear functions within the activation function, which could complicate or even make it impossible to resolve the equilibrium conditions for the shifts sought. This problem is circumvented in the system according to the invention in that the neural network is trained in such a way that it can be used to determine directly converged stiffness components for a finite element. With element stiffness matrices updated in this way, the global stiffness matrix can be updated and used to determine the global displacement matrix. With the system it is thus possible to determine geometrically and/or physically nonlinear structural and material behavior in a mechanical component that could not be determined with conventional FEM because the FEM does not converge to a solution.
Der Erfindung liegt die weitere Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere die Bestimmung von Steifigkeitskomponenten solcher finiter Elemente besonders viel Zeit beanspruchen kann, die sich in einem Bereich des Bauteils befinden, das einer Verformung unterzogen wird. Hingegen können die Steifigkeitskomponenten von Elementen in Bereichen die sich nicht oder nur unwesentlich verformen deutlich schneller bestimmt werden. Die vielen Iterationsschritte in einem jeweiligen Inkrement sind insbesondere deshalb nötig, weil die Steifigkeitskomponenten der finiten Elemente aus den sich verformenden Bereichen des Bauteils neu bestimmt werden müssen. Dies ist notwendig, weil sich die Geometrie des Bauteils insbesondere in den sich verformenden Bereichen ändert. Die Änderung der Geometrie führt dazu, dass die Besetzung der Steifigkeitsmatrix, d.h. die Steifigkeitskompo- nenten die diesen Verformungen zugerechnet werden, neu bestimmt werden müssen.The invention is based on the further finding that in particular the determination of stiffness components of such finite elements that are located in a region of the component that is subjected to deformation can take a particularly long time. On the other hand, the stiffness components of elements in areas that do not or only insignificantly deform can be determined much more quickly. The many iteration steps in each increment are necessary in particular because the stiffness components of the finite elements have to be re-determined from the deforming areas of the component. This is necessary because the geometry of the component changes, particularly in the deforming areas. The change in geometry means that the population of the stiffness matrix, i.e. the stiffness components that are attributed to these deformations, has to be redetermined.
Mit dem trainierten neuronalen Netz werden daher gerade diejenigen Steifigkeitskompo- nenten neu bestimmt, die in einem ersten Durchlauf der FEM einem Bereich zugeordnet wurden, in dem sich das Bauteil verformt. With the trained neural network, precisely those stiffness components are redetermined that were assigned to an area in which the component deforms in a first run of the FEM.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Es ist ein Vorteil des Systems, dass infolge der durch das trainierte neuronale Netz bestimmten konvergierten Steifigkeitskomponenten durch den FE-Gleichungslöser jedem generalisierten Lastvektor direkt ein Verschiebungsvektor zugeordnet werden kann. Auf diese Weise werden zeitaufwändige Iterationen in den jeweiligen Inkrementen umgangen. Durch die Verwendung bereits konvergierter Steifigkeitskomponenten kann somit sichergestellt werden, dass die FEM konvergiert und eine Lösung gefunden wird. Dies gilt auch dann, wenn mit der FEM ein innerer Belastungszustand ermittelt werden soll, der eine physikalische oder geometrische Nichtlinearität umfasst. Die inneren Belastungszustände eines Bauteils sind damit vergleichsweise schneller und zuverlässiger verfügbar. Weiterhin liefert das System auch dann zuverlässig vergleichsweise genaue innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte, wenn aufgrund der Krafteinwirkung in dem Bauteil physikalische Nichtlinearitäten wie Schädigungen oder geometrische Nichtlinearitäten wie starke Krümmungen auftreten. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) It is an advantage of the system that, as a result of the converged stiffness components determined by the trained neural network, a displacement vector can be directly assigned to each generalized load vector by the FE solver. In this way, time-consuming iterations in the respective increments are avoided. By using stiffness components that have already converged, it can thus be ensured that the FEM converges and a solution is found. This also applies if the FEM is to be used to determine an internal load condition that includes a physical or geometric non-linearity. The internal load conditions of a component are thus available comparatively faster and more reliably. Furthermore, the system also reliably provides comparatively accurate internal load states of a mechanical component when external forces act if physical non-linearities such as damage or geometric non-linearities such as severe curvatures occur in the component due to the action of the force.
Um für ein zu prüfendes Bauteil innere Belastungszustände zu ermitteln, weist das System vorzugsweise eine Belastungs- und Messvorrichtung auf, die ausgebildet ist, auf ein bereitgestelltes mechanisches Bauteil eine vordefinierte äußere Kraft oder mehrere vordefinierte äußere Kräfte auszuüben, und daraus resultierende äußere Verformungen des mechanischen Bauteils unter der definierten Krafteinwirkung zu messen. In order to determine internal stress states for a component to be tested, the system preferably has a loading and measuring device that is designed to exert a predefined external force or multiple predefined external forces on a provided mechanical component, and the resulting external deformations of the mechanical component to be measured under the defined force.
Der finite Elemente-Präprozessor ist dann vorzugsweise ausgebildet, dem wenigsten einem Element wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung zuzuweisen. Die wenigstens eine Randbedingung umfasst die von der Messvorrichtung ausgeübte vordefinierte äußere Kraft oder mehreren vordefinierten äußere Kräften und/oder die gemessene äußere Verformung des Bauteils. The finite element preprocessor is then preferably designed to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element. The at least one boundary condition includes the predefined external force or multiple predefined external forces exerted by the measuring device and/or the measured external deformation of the component.
Das System kann dann für ein zu prüfendes Bauteil nicht nur die äußeren Verformungen, sondern auch die nicht direkt zu messenden inneren Belastungszustände ermitteln, die sich aus den von der Belastungs- und Messvorrichtung auf das mechanische Bauteil aus- gebübten Kräften ergeben. The system can then determine not only the external deformations for a component to be tested, but also the internal stress conditions that cannot be measured directly, which result from the forces exerted on the mechanical component by the loading and measuring device.
Es ist es ein besonderer Vorteil des Systems, dass die ermittelten inneren Belastungszustände auch dann noch zuverlässig und genau ermittelt werden können, wenn sich das mechanische Bauteil aufgrund der ausgeübten Kräfte nichtlinear plastisch verformt oder wenn z.B. innere, von außen nicht-sichtbare Risse entstehen, oder wenn sich das mechanische Bauteil aufgrund der ausgeübten Kräfte nichtlinear geometrisch verformt, also die Oberflächen des Bauteils stark gekrümmt werden, beispielweise wie eine Karosserie bei einem Crashtest. Dieser besondere Vorteil des Systems wird dadurch bewirkt, dass der It is a particular advantage of the system that the determined internal load states can also be determined reliably and precisely if the mechanical component undergoes non-linear plastic deformation due to the forces exerted or if, for example, internal cracks occur that are not visible from the outside, or if the mechanical component undergoes non-linear geometric deformation due to the forces exerted, i.e. the surfaces of the component are strongly curved, for example like a body in a crash test. This special advantage of the system is caused by the fact that the
ERSATZBLATT (REGEL 26) FE-Gleichungslöser die mittels des trainierten neuronalen Netzes bestimmten konvergierten Steifigke its omponenten verwendet. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) FE solver using the converged stiffness components determined by the trained neural network.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte. Das Verfahren kann mit dem vorstehend beschriebenen System ausgeführt werden. The invention also relates to a method for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act on it. The method can be carried out with the system described above.
Das Verfahren umfasst die Schritte: The procedure includes the steps:
Empfangen von Geometriedaten, die das Bauteil repräsentieren, receiving geometry data representing the component,
Unterteilen des Bauteils in finite Elemente und Zuweisen von wenigstens einer Materialeigenschaft und/oder wenigstens einer Randbedingung zu wenigstens einem der Elemente, und Subdividing the component into finite elements and assigning at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one of the elements, and
Aufstellen einer globalen Steifigkeitsmatrix für das Bauteil, die angibt, wie sich die Elemente des Bauteils aufgrund der zugewiesenen Materialeigenschaft und/oder Randbedingung verformen. Establish a global stiffness matrix for the part that specifies how the elements of the part deform due to the assigned material property and/or boundary condition.
Anschließend werden für ein erstes Inkrement solche Bereiche in dem Bauteil identifiziert, in denen sich das Bauteil verformt und vorzugsweise andere Bereiche identifiziert, in denen eine Geometrie des Bauteils trotz Einwirken äußerer Kräfte im Wesentlichen unverändert bleibt. Then, for a first increment, those areas in the component are identified in which the component deforms and preferably other areas are identified in which a geometry of the component remains essentially unchanged despite the action of external forces.
Daraufhin erfolgt für ein oder mehrere weitere Inkremente ein This is followed by one or more further increments
Bestimmen von Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix von wenigstens einem finiten Element des Bauteils mittels eines trainierten neuronalen Netzes, und zwar vorzugsweise für jedes finite Element, das sich in demjenigen Bereich des Bauteils befindet, in dem sich das Bauteil beim Einwirken äußerer Kräfte verformt und somit seine Geometrie ändert, und ein Determining stiffness components of an element stiffness matrix of at least one finite element of the component using a trained neural network, preferably for each finite element that is located in that area of the component in which the component deforms when external forces are applied and thus changes its geometry , and a
Aktualisieren der globalen Steifigkeitsmatrix mit der von dem trainierten neuronalen Netz für das verformte Element bestimmten Elementsteifigkeitsmatrix und einupdating the global stiffness matrix with the element stiffness matrix determined by the trained neural network for the deformed element and a
Ermitteln des inneren Belastungszustands des mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte auf Basis der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix. Determination of the internal stress state of the mechanical component when external forces are applied based on the updated global stiffness matrix.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Wenn nach einem oder mehreren Inkrementen der finale innere Belastungszustand des mechanischen Bauteils im Kräftegleichgewicht gefunden wurde erfolgt schließlich optional ein SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) If, after one or more increments, the final internal load state of the mechanical component in the equilibrium of forces has been found, an optional
Darstellen des inneren Belastungszustands des mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte. Representation of the internal load condition of the mechanical component when external forces act.
Zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte wird das trainierte neuronale Netz dazu verwendet, die konvergierten Steifigkeitskomponenten für diejenigen Elemente des Bauteils zu bestimmen, die sich durch Einwirken äußerer Kräfte verformen. Es werden bevorzugt nicht alle Steifigkeitskomponenten einer globalen Steifigkeitsmatrix durch das neuronale Netz aktualisiert, sondern nur bestimmte Steifigkeitskomponenten. Die übrigen Steifigkeitskomponenten der globalen Steifigkeitsmatrix, die zu Elementen des Bauteils gehören, in denen sich das Bauteil nicht oder nur unwesentlich verformt, werden vorzugsweise nicht erneut von dem neuronalen Netz bestimmt. Die globale Steifigkeitsmatrix wird dann an die neue Geometrie des Bauteils angepasst, die dadurch verursacht wird, dass äußere Kräfte auf das Bauteil einwirken und dieses verformen. In den Teilen des Bauteils, die nicht verformt werden, ändert sich die Geometrie des Bauteils nicht oder nur unwesentlich und entsprechend auch nicht oder nur unwesentlich die Besetzung der Steifigkeitsmatrix durch die entsprechenden Steifigkeitskomponenten. To determine the internal stress states of a mechanical component when external forces act, the trained neural network is used to determine the converged stiffness components for those elements of the component that are deformed by the action of external forces. Preferably not all stiffness components of a global stiffness matrix are updated by the neural network, but only specific stiffness components. The remaining stiffness components of the global stiffness matrix, which belong to elements of the component in which the component does not deform or only insignificantly deform, are preferably not determined again by the neural network. The global stiffness matrix is then adapted to the new geometry of the part, which is caused by external forces acting on the part and deforming it. In the parts of the component that are not deformed, the geometry of the component does not change or only changes insignificantly, and accordingly the occupation of the stiffness matrix by the corresponding stiffness components does not change either or only insignificantly.
Das Anpassen der Steifigkeitskomponenten der globalen Steifigkeitsmatrix erfolgt insbesondere durch Aufrufen des trainierten neuronalen Netzes für jedes finite Element in einem oder in mehreren Inkrementen. Dem trainierten neuronalen Netz werden als Eingangsmatrix z.B. die Komponenten der Verschiebungsmatrix oder des Spannungstensors des jeweiligen finiten Elements zugeführt. Das trainierte neuronale Netz liefert als Ausgangsmatrix die Komponenten der Kräftematrix, falls eine Verschiebungsmatrix als Eingangsmatrix gewählt wurde, oder direkt die Steifigkeitskomponenten, falls der Dehnungs- oder Spannungstensor als Eingangsmatrix gewählt wurde. In particular, the stiffness components of the global stiffness matrix are adapted by calling the trained neural network for each finite element in one or more increments. The components of the displacement matrix or the stress tensor of the respective finite element, for example, are fed to the trained neural network as an input matrix. The trained neural network supplies the components of the force matrix as an output matrix if a displacement matrix was selected as the input matrix, or directly the stiffness components if the strain or stress tensor was selected as the input matrix.
Das Verfahren impliziert somit die Verwendung eines trainierten neuronalen Netzes zum Bestimmen der konvergierten Steifigkeitskomponenten für diejenigen Elemente des Bauteils, die sich durch Einwirken äußerer Kräfte verformen. Das Trainieren des neuronalen Netzes kann vor den vorstehend genannten Verfahrensschritten erfolgen und muss während des Ablaufs des Verfahrens nicht wiederholt werden. Dies schließt zwar nicht aus, dass ein nachtrainieren während des Ablaufs des Verfahrens vorteilhaft sein kann, führt The method thus implies the use of a trained neural network to determine the converged stiffness components for those elements of the component that are deformed by the action of external forces. The neural network can be trained before the method steps mentioned above and does not have to be repeated during the course of the method. This does not rule out the possibility that retraining during the course of the method can be advantageous
ERSATZBLATT (REGEL 26) aber zu zwei Vorteilen: zum einen kann das Verfahren mit weniger Iterationsschritten dur- geführt werden und ist somit hinsichtlich Zeit- und Rechenbedarf ressourcenschonender als herkömmliche FE- Verfahren. Zum andren kann das neuronale Netz beim Training mit feineren Iterationsschritten trainiert werden, so dass das Verfahren auch beim Auftreten starker Verformungen oder innerer Schädigungen des Bauteils noch in der Lage ist, innere Belastungszustände zu ermitteln, wo dies mit herkömmlichen FE-Verfahren nicht mehr möglich ist. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) but with two advantages: on the one hand, the method can be carried out with fewer iteration steps and is therefore more resource-saving in terms of time and computing requirements than conventional FE methods. On the other hand, the neural network can be trained with finer iteration steps during training, so that the method is still able to determine internal stress states, even if severe deformations or internal damage to the component occur, where this is no longer possible with conventional FE methods .
Vorzugsweise umfasst das Verfahren, die weiteren Schritte: Preferably, the method comprises the further steps:
Bereitstellen eines mechanischen Bauteils, providing a mechanical component,
Ausüben wenigstens einer vordefinierten äußeren Kraft auf das mechanische Bauteil, und Exercising at least one predefined external force on the mechanical component, and
Messen wenigstens einer Verformung des Bauteils, die aufgrund des Ausübens der wenigstens einen vordefinierten äußeren Kraft auftritt. Measuring at least one deformation of the component that occurs due to the exertion of the at least one predefined external force.
Die ausgeübte Kraft oder die ausgeübten Kräfte sind insbesondere hinsichtlich ihrer Richtung und ihres Betrages bekannt, so dass die Kraft oder die Kräfte als Randbedingungen in die Bestimmung der inneren Belastungszustände mittels dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte eingehen können. Als weitere Randbedingung geht bevorzugt die gemessene Verformung des mechanischen Bauteils in das vorstehend beschriebene Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte ein. Mit dem Verfahren wird dann der innere Belastungszustand des mechanischen Bauteils ermittelt, der sich während der Messung aus dem Einwirken der vordefinierten äußeren Kraft oder der mehreren vordefinierten äußeren Kräften auf das Bauteil ergibt. Das Verfahren hat dabei insbesondere den Vorteil, dass auch dann zuverlässig innere Belastungszustände ermittelt werden können, wenn die ausgeübte vordefinierte äußere Kraft oder mehreren ausgeübten vordefinierten äußeren Kräften auf das Bauteil zu einer nicht sichtbaren inneren Schädigung, z.B. innere Risse, oder zu einer nichtlinearen geometrischen Verformung des Bauteils führen. Dies ist mit der bekannten FEM regelmäßig nicht möglich. The force or forces exerted are known, in particular with regard to their direction and magnitude, so that the force or forces can be included as boundary conditions in the determination of the internal load states using the above-described method for determining internal load states of a mechanical component when external forces act . As a further boundary condition, the measured deformation of the mechanical component is preferably included in the above-described method for determining internal stress states of a mechanical component when external forces act. The method is then used to determine the internal load condition of the mechanical component, which results during the measurement from the action of the predefined external force or multiple predefined external forces on the component. The method has the particular advantage that internal stress states can also be reliably determined when the predefined external force or multiple predefined external forces exerted on the component lead to invisible internal damage, e.g. internal cracks, or non-linear geometric deformation of the component. This is regularly not possible with the known FEM.
Dadurch, dass mit dem Verfahren besonders zuverlässig innere Belastungszustände einer gemessenen äußeren Verformung zugeordnet werden können, kann auch zuverlässiger eingeschätzt werden, ob ein mechanisches Bauteil tatsächlich so hergestellt werden kann, Because the method can be used to assign internal stress states to a measured external deformation in a particularly reliable manner, it is also possible to more reliably assess whether a mechanical component can actually be manufactured in such a way
ERSATZBLATT (REGEL 26) dass es den zu erwartenden Kräften standhält. Somit kann auch die Sicherheit bei der Verwendung eines mechanischen Bauteils erhöht werden. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) that it can withstand the expected forces. In this way, safety can also be increased when using a mechanical component.
Ein vorteilhafter Aspekt ist, dass das genannte Verfahren und das Erzeugen der in dem Verfahren verwendeten trainierten neuronalen Netze zeitlich und räumlich unabhängig voneinander erfolgen können. In Bezug auf das erzeugen des trainierten neuronalen Netzes ist es wiederum von Vorteil, dass das Erzeugen von Trainingsdaten und das Trainieren eines neuronalen Netzes mit den Trainingsdaten ebenfalls unabhängig voneinander erfolgen können. Eine Abhängigkeit ist nur insoweit gegeben, dass zum Trainieren eines neuronalen Netzes erzeugte Trainingsdaten vorliegen müssen und dass zum Durchführen der FEM ein trainiertes neuronales Netz vorliegen muss. Das Erzeugen der Trainingsdaten und das Trainieren des neuronalen Netzes können auf verschiedenen Computern erfolgen, die sich an unterschiedlichen Orten befinden können. Gleiches gilt für das Durchführen der FEM unter Verwendung eines trainierten neuronalen Netzes. An advantageous aspect is that the method mentioned and the generation of the trained neural networks used in the method can be carried out independently of one another in terms of time and space. With regard to the generation of the trained neural network, it is again advantageous that the generation of training data and the training of a neural network with the training data can also take place independently of one another. A dependency only exists to the extent that training data generated for training a neural network must be available and that a trained neural network must be available for carrying out the FEM. The generation of the training data and the training of the neural network can take place on different computers, which can be located at different locations. The same applies to performing the FEM using a trained neural network.
Das Erzeugen von Trainingsdaten sowie das Trainieren des neuronalen Netzes können jeweils weitere Bestandteile des Verfahrens zum Darstellen Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte sein, wobei das Erzeugen von Trainingsdaten sowie das Trainieren des neuronalen Netzes auch unabhängig von dem eigentlichen Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils unter Verwendung eines trainierten neuronalen Netzes durchgeführt werden können. Denn Erzeugen von Trainingsdaten sowie das Trainieren des neuronalen Netzes können bereits erfolgt sein, bevor für ein Bauteil innere Belastungszustände ermittelt werden. Damit kann das eigentliche Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte effizienter und - wie hier beschrieben - auch zuverlässiger erfolgen. The generation of training data and the training of the neural network can each be further components of the method for displaying determination of internal stress states of a mechanical component when external forces are applied, with the generation of training data and the training of the neural network also being independent of the actual method for determining internal Load conditions of a mechanical component can be performed using a trained neural network. This is because the generation of training data and the training of the neural network can already have taken place before the internal load states are determined for a component. This means that the actual determination of the internal load states of a mechanical component when external forces are applied can be carried out more efficiently and—as described here—also more reliably.
Bevorzugt wurde das neuronale Netz trainiert, indem zunächst ein untrainiertes neuronales Netz bereitgestellt wird, das eine Topologie mit einer Eingangsschicht, einer Ausgangschicht und einer oder mehreren Zwischenschichten aufweist, die jeweils eine Vielzahl von Neuronen und diesen zugeordnete Gewichte aufweisen. Die Neuronen einer nachfolgenden Schicht sind jeweils vorzugsweise mit sämtlichen Neuronen einer vorangehenden Schicht verknüpft (fully connected). The neural network was preferably trained by first providing an untrained neural network which has a topology with an input layer, an output layer and one or more intermediate layers, each of which has a large number of neurons and weights assigned to them. The neurons of a subsequent layer are each preferably linked (fully connected) to all neurons of a preceding layer.
Das neuronale Netz wird mit einem Trainingsdatensatz trainiert, der Eingangsvektoren und zugehörige Ausgangsvektoren umfasst. Die Eingangsvektoren können beispielsweise Verschiebungskomponenten oder Dehnungskomponenten umfassen. Die zugehörigen Ausgangsvektoren können beispielweise Kräfte oder Steifigkeitskomponenten umfassen. The neural network is trained with a training data set that includes input vectors and associated output vectors. The input vectors can include displacement components or strain components, for example. The associated output vectors can include forces or stiffness components, for example.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Das neuronale Netz wird vorzugsweise durch Anpassen der Gewichte derart trainiert, dass eine durch eine Fehlerfunktion ermittelte Abweichung minimiert wird, die durch eine Differenz zwischen vorgegebenen Werten der Jacobi Matrix Komponenten öf/öu und einem durch das neuronale Netz vorhergesagten Wert der Jacobi Matrix Komponenten öf/öu definiert ist. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The neural network is preferably trained by adjusting the weights in such a way that a deviation determined by an error function is minimized, which is caused by a difference between predetermined values of the Jacobi matrix components öf/öu and a value of the Jacobi matrix components öf/ predicted by the neural network. ou is defined.
Die Trainingsdaten werden vorzugsweise erzeugt, indem zunächst ein einzelnes finites Element bereitgestellt wird, dem wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung, die ein Einwirken einer äußeren Kraft repräsentiert, zugewiesen ist.The training data are preferably generated by initially providing a single finite element to which at least one material property and/or at least one boundary condition representing the action of an external force is assigned.
Mit einem FE-Gleichungslöser wird vorzugsweise bestimmt, wie sich das einzelne finite Element aufgrund der zugewiesenen wenigstens einen Materialeigenschaft unter Einwirken einer äußeren Kraft verformt, und entsprechende Eingangsvektoren und zugehörige Ausgangsvektoren bestimmt. An FE equation solver is preferably used to determine how the individual finite element deforms due to the assigned at least one material property under the influence of an external force, and corresponding input vectors and associated output vectors are determined.
1 . Aufbau/Topoloqie des neuronalen Netzes 1 . Structure/topology of the neural network
Ein geeignetes neuronales Netz weist eine Eingangsschicht mit einer Anzahl Eingangs- Neuronen und eine Ausgangsschicht mit einer Anzahl Ausgangs-Neuronen auf. Die Anzahl der Eingangs-Neuronen kann beispielsweise der Anzahl der Freiheitsgrade eines Knotens multipliziert mit der Anzahl der Knoten eines finiten Elements entsprechen. A suitable neural network has an input layer with a number of input neurons and an output layer with a number of output neurons. The number of input neurons can, for example, correspond to the number of degrees of freedom of a node multiplied by the number of nodes of a finite element.
Ein Neuron einer Schicht ist typischerweise mit mehreren Neuronen vorangegangener o- der nachfolgenden Schichten verbunden. Ausgangswerte der Neuronen vorangegangener Schichten - oder im Fall der Eingangsschicht: die Elemente eines Eingangsvektors - werden von einem Neuron zu einem Ausgangswert verarbeitet, der an Neuronen einer nachfolgenden Schicht weitergegeben wird und für die dortigen Neuronen jeweils einen Eingangswert bildet. In einem Neuron werden die Eingangswerte - also die Ausgangswerte der Neuronen der vorangehenden Schicht - zunächst gewichtet aufsummiert. Ein Neuron kann weiterhin einen Bias beinhalten, der das durchschnittliche Aktivierungsniveau des Neurons steuert. Der Bias kann auch Teil der gewichteten Summe sein. Die so gewonnene gewichtete Summe wird einer Aktivierungsfunktion zugeführt und von der Aktivierungsfunktion zu dem Ausgangswert verarbeitet. A neuron in a layer is typically connected to several neurons in the preceding or following layers. Output values of the neurons of previous layers - or in the case of the input layer: the elements of an input vector - are processed by a neuron to an output value, which is passed on to neurons of a subsequent layer and forms an input value for the neurons there. In a neuron, the input values - i.e. the output values of the neurons of the previous layer - are first summed up in a weighted manner. A neuron may further contain a bias that controls the neuron's average level of activation. The bias can also be part of the weighted sum. The weighted sum obtained in this way is fed to an activation function and processed by the activation function to form the output value.
Das neuronale Netz kann beispielsweise ein Feed-Forward neuronales Netz sein. Alternativ kann das neuronale Netz auch ein Radiale-Basisfunktionen neuronales Netz oder ein recurrent neural network sein. Es ist auch möglich und vorteilhaft, dass das neuronale Netz ein Gated Recurrent Neural Network ist, das auch als Long Short Term Memory (LSTM) The neural network can be a feed-forward neural network, for example. Alternatively, the neural network can also be a radial basis function neural network or a recurrent neural network. It is also possible and beneficial for the neural network to be a gated recurrent neural network, also known as Long Short Term Memory (LSTM)
ERSATZBLATT (REGEL 26) bezeichnet wird. Ein Kernkonzept des LSTM besteht darin lang- und kurzfristige Abhängigkeiten zu lernen. Das LSTM ermöglicht so eine Art Erinnerung an frühere Erfahrungen.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) referred to as. A core concept of the LSTM is to learn long and short term dependencies. The LSTM thus enables a kind of memory of previous experiences.
Das neuronale Netz kann ein, zwei, drei oder mehr als drei Zwischenschichten (engl. hidden layers) aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das neuronale Netz eine oder mehrere convolutional layers und pooling layers aufweisen. The neural network can have one, two, three or more than three intermediate layers (hidden layers). Alternatively or additionally, the neural network can have one or more convolutional layers and pooling layers.
Für den Fall, dass das trainierte neuronale Netz das Gleichungssystems K*X=F ersetzt, sind der Eingangsvektor X und der Ausgangsvektor F (in Voigt Notation) entsprechend als definiert, mit s = i - m (20) wobei i die Anzahl der Freiheitsgrade eines Elementknotens und m die Anzahl Knoten pro Element bezeichnen, und kann das neuronale Netz auf dem Level einzelner finiter Elemente durch die Gleichung beschrieben werden. Hierbei ist X ein auf die Eingangsschicht gegebener Eingangsvektor, der generalisierte Verschiebungen u repräsentiert und F der durch das neuronale Netz aus dem Eingangsvektor gebildete Ausgangsvektor, der generalisierte Kräfte repräsentiert. Das neuronale Netz umfasst eine Anzahl von Zwischenschichten, wobei die erste Zwischenschicht mit L und die letzte Zwischenschicht mit L‘ bezeichnet ist. Die Anzahl der vorhandenen Zwischenschichten ist mit k bezeichnet, wobei k > 2 gilt. Das neuronale Netz ist weiterhin durch Aktivierungsfunktionen A) und deren Ableitungen A ) mit Bezug auf die gewichtete Summe definiert. Wenn der Eingangsvektor X generalisierte Verschiebungen u repräsentiert und das neuronale Netz mit Trainingsdaten trainiert ist, bei denen der Ausgangsvektor F generalisierte Kräfte abbildet, bildet das trainierte neuronale Netz die generalisierten Verschiebungen X auf die generalisierten Kräfte F ab. Anhand der generalisierten Kräfte F können Steifigkeitskomponenten eines finiten Elements bestimmt werden. Das neuronale Netz, das generalisierte Verschiebungen X auf die generalisierte Kräfte F abbildet liefert zunächst generalisierte Kräfte F, die in Steifigkeitskomponenten umgerechnet werden. In the event that the trained neural network replaces the system of equations K*X=F, the input vector X and the output vector F (in Voigt notation) are correspondingly as defined, with s = i - m (20) where i denotes the number of degrees of freedom of an element node and m denotes the number of nodes per element, and the neural network can be defined on the level of individual finite elements by the equation to be discribed. Here, X is an input vector given on the input layer, which represents generalized displacements u, and F is the output vector formed by the neural network from the input vector, which represents generalized forces. The neural network comprises a number of intermediate layers, the first intermediate layer being denoted by L and the last intermediate layer by L'. The number of intermediate layers present is denoted by k, where k>2 applies. The neural network is also defined by activation functions A) and their derivatives A) with reference to the weighted sum. If the input vector X represents generalized displacements u and the neural network is trained with training data in which the output vector F maps generalized forces, the trained neural network maps the generalized displacements X to the generalized forces F. The stiffness components of a finite element can be determined using the generalized forces F. The neural network, which maps generalized displacements X to the generalized forces F, initially supplies generalized forces F, which are converted into stiffness components.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Alternativ kann das neuronale Netz so trainiert sein, dass der Eingangsvektor, dessen Komponenten an die Neuronen der Eingangsschicht übergeben werden, die normierten Dehnungs- oder Spannungstensorkomponenten, den internen Zustand eines finiten Elements, repräsentieren SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Alternatively, the neural network may be trained such that the input vector whose components are passed to the input layer neurons represent the normalized strain or stress tensor components, the internal state of a finite element
<= [E?I^2S^3 «2] (23) <= [ E ?I^ 2 S^3 « 2 ] (23)
In der Ausgangsschicht können die Ausgangs-Neuronen konvergierte Steifigkeitskompo- nenten repräsentieren, so dass mit dem neuronalen Netz normierte Dehnungstensorkomponenten direkt auf konvergierte Steifigkeitskomponenten abgebildet werden. Hierbei bezeichnet den Eingangsvektor und K den Ausgangsvektor.In the output layer, the output neurons can represent converged stiffness components, so that with the neural network normalized strain tensor components can be directly mapped to converged stiffness components. Here, the input vector and K the output vector.
Die Anzahl der Ausgangs-Neuronen kann der Anzahl der Eingangs-Neuronen entsprechen. Die Anzahl der Eingangs-Neuronen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Freiheitsgrade eines Knotens. Die Anzahl von Neuronen in einer Zwischenschicht kann sich von der Anzahl der Eingangs-Neuronen unterscheiden und übersteigt diese vorzugsweise. Falls mehrere Zwischenschichten vorhanden sind, können diese jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Neuronen im Vergleich zu einer Anzahl von Neuronen in einer der übrigen Zwischenschichten aufweisen. The number of output neurons can correspond to the number of input neurons. The number of input neurons preferably corresponds to the number of degrees of freedom of a node. The number of neurons in an intermediate layer can differ from, and preferably exceeds, the number of input neurons. If there are several intermediate layers, they can each have a different number of neurons compared to a number of neurons in one of the other intermediate layers.
Das neuronale Netz kann optional in der Eingangsschicht weitere Eingangs-Neuronen für Eingangswerte umfassen, die Geometrie-Parameter repräsentieren. Dies ist jedoch nicht notwendig, da bereits alle geometrischen Eigenschaften in neuronalen Netz enthalten sind. Durch weitere Eingangs-Neuronen, die Geometrie-Parameter repräsentieren, kann jedoch der Trainingserfolg des neuronalen Netzes verbessert werden. In the input layer, the neural network can optionally include further input neurons for input values that represent geometry parameters. However, this is not necessary since all geometric properties are already contained in the neural network. However, the training success of the neural network can be improved by additional input neurons that represent geometry parameters.
Das neuronale Netz umfasst den Neuronen des neuronalen Netzes zugeordnete Aktivierungsfunktionen, die beispielsweise eine Hyperbeltangens-Aktivierungsfunktion oder eine sigmoidale-Aktivierungsfunktion oder Radiale Basisfunktion sein können. The neural network includes activation functions assigned to the neurons of the neural network, which can be, for example, a hyperbolic tangent activation function or a sigmoidal activation function or radial basis function.
2. Training des neuronalen Netzes 2. Training of the neural network
Das im Rahmen der FEM eingesetzte neuronale Netz ist trainiert. Dazu werden Trainingsdaten genutzt, die zu verschiedenen Eingangsvektoren zugehörige Ausgangsvektoren enthalten. Ziel des Trainings ist es, die Gewichte des neuronalen Netzes so anzupassen, dass der von dem neuronalen Netz aus einem Eingangsvektor gebildete Ausgangsvektor entsprechenden Trainingsdaten möglichnahe kommt. The neural network used in the FEM is trained. Training data containing output vectors associated with different input vectors are used for this purpose. The aim of the training is to adjust the weights of the neural network in such a way that the output vector formed by the neural network from an input vector comes as close as possible to the corresponding training data.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Für den Einsatz im Rahmen der FEM wird das neuronale Netz mit Trainingsdaten trainiert, die sich derart zusammensetzen, dass der Ausgangsvektor des trainierten neuronalen Netzes dazu beiträgt, SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) For use in FEM, the neural network is trained with training data that is composed in such a way that the output vector of the trained neural network contributes to
2.1 Erzeugen von Traininqsdaten 2.1 Generation of training data
Damit mit dem System innere Belastungszustände eines mechanischen Bauteils dargestellt werden können, wird das neuronale Netz mit Trainingsdaten entsprechend trainiert. Die Trainingsdaten sollten so generiert werden, dass diese in den Wertebereich der zu erwartenden Größenordnungen von Zustandsvariablen passen, z.B. zu den Spannungen und Dehnungen, sowie zu den Schnittgrößen. Mit anderen Worten, die Trainingsdaten sollten einen Wertebereich umschließen, der für die Darstellung innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils zu erwarten ist. The neural network is trained accordingly with training data so that the system can display the internal stress conditions of a mechanical component. The training data should be generated in such a way that they fit into the value range of the magnitudes of state variables to be expected, e.g. the stresses and strains, as well as the internal forces. In other words, the training data should encompass a range of values that can be expected to represent the internal stress states of a mechanical component.
Innerhalb der Trainingsdaten wird bevorzugt eine Unterteilung gewählt, die geeignet ist, dass das neuronale Netz bei dem Bestimmen der Steifigkeitskomponenten mit ausreichender Genauigkeit zwischen diesen Werten interpolieren kann. A subdivision is preferably selected within the training data which is suitable for the neural network to be able to interpolate between these values with sufficient accuracy when determining the stiffness components.
Trainingsdaten werden bevorzugt an einem einzelnen finiten Element erzeugt, indem für verschiedene Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren FEM- Simulationen durchgeführt werden. Auf diese Weise erhält man zu jeder dieser Kombinationen lokale Steifigkeitsmatrizen des finiten Elementes. Diese Trainingsdaten werden mittels klassischer FEM und dem Newton-Raphson-Gleichungslöser gewonnen. Training data is preferably generated on a single finite element by performing FEM simulations for various combinations of generalized force and displacement vectors. In this way, local stiffness matrices of the finite element are obtained for each of these combinations. This training data is obtained using classic FEM and the Newton-Raphson equation solver.
Hierbei hat das einzelne finite Element vorzugsweise die Geometrie eines Hexaeders oder eines Tetraeders. An seinen Ecken weist das einzelne finite Element Knoten auf, denen Materialeigenschaften wie ein Elastizitätsmodul und eine Poissonzahl sowie Randbedingungen zugewiesen sind. Beispielsweise kann für das Training ein elastisch-plastisches Materialverhalten angenommen werden, das eine nichtlineare isotrope Verhärtung umfassen kann. In this case, the individual finite element preferably has the geometry of a hexahedron or a tetrahedron. At its corners, the single finite element has nodes assigned material properties such as Young's modulus and Poisson's ratio, and boundary conditions. For example, an elastic-plastic material behavior can be assumed for the training, which can include a non-linear isotropic hardening.
Mit Hilfe der FEM Analyse dieses einzelnen finiten Elements werden Trainingsdaten gewonnen, indem für jeweils unterschiedliche Materialeigenschaften und Randbedingungen, z.B. unterschiedliche Kräfte auf bekannte Weise vollständige FEM-Simulationen durchlaufen werden und auf diese Weise mittels FEM für ein finites Element viele Paare von Eingangs- und Ausgangsvektoren berechnet und für das Training des neuronalen Netzes in Form von Trainingsdatensätzen zur Verfügung gestellt werden. Alternativ können die Materialeigenschaften desjenigen Bauteils angenommen werden, dessen mechanisches Verhalten dargestellt werden soll. With the help of the FEM analysis of this individual finite element, training data is obtained by running through complete FEM simulations in a known manner for different material properties and boundary conditions, e.g. different forces, and in this way using FEM for a finite element, many pairs of input and output vectors calculated and made available for training the neural network in the form of training data sets. Alternatively, the material properties of the component whose mechanical behavior is to be represented can be assumed.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Durch die FEM Analyse eines einzelnen finiten Elements können Paare von Eingangsvektoren, die z.B. die Komponenten der Verschiebungsmatrix oder des Dehnungstensors des jeweiligen finiten Elements repräsentieren und zugehörigen Ausgangsvektoren, die die aus dem Eingangsvektor resultierenden Komponenten der Kräftematrix, falls eine Verschiebungsmatrix als Eingangsmatrix gewählt wurde, oder direkt die Steifigkeitskomponenten repräsentieren, falls der Dehnungstensor als Eingangsmatrix gewählt wurde. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Through the FEM analysis of a single finite element, pairs of input vectors, which represent, for example, the components of the displacement matrix or the strain tensor of the respective finite element, and associated output vectors, which represent the components of the force matrix resulting from the input vector, if a displacement matrix was selected as the input matrix, or directly represent the stiffness components if the strain tensor is chosen as the input matrix.
Die so erzeugten Trainingsdaten umfassen Eingangsvektoren und diesen zugeordnete Ausgangsvektoren. Die Trainingsdaten können Geometrieparameter des für das Training verwendeten einzelnen finiten Elements enthalten. The training data generated in this way comprises input vectors and output vectors assigned to them. The training data may include geometry parameters of the single finite element used for training.
Eventuell kann es erforderlich sein, dass ein im Rahmen der FEM verwendetes, trainiertes neuronales Netz nachtrainiert werden muss. Solange die FEM ergibt, dass sich das Bauteil im linear elastischen Bereich verformt, muss das Training des neuronalen Netzes jedoch auch dann nicht wiederholt werden, wenn sich die Geometrie des Bauteils ändert. Nur wenn sich die Verformung des Bauteils im geometrisch nichtlinearen Bereich abspielt kann es notwendig sein, dass das Training zu wiederholen. Selbst im physikalisch nichtlinearen Bereich ist es nicht notwendig, dass das Training des neuronalen Netzes wiederholt wird, wenn sich die Geometrie eines Bauteils ändert, wenn bei dem Training des neuronalen Netzes normierte Größen verwendet werden. Zwischen physikalischen und normierten Trainingsdaten befinden sich Skalierungsparameter. Ändert sich eine Bauteilgeometrie, dann können durch Anpassen von Skalierungsvariablen dieselben normierten Trainingsdaten erzeugt werden, wie bei bereits vorhandenen Trainingsdaten. It may be necessary for a trained neural network used in the context of the FEM to be retrained. As long as the FEM shows that the component deforms in the linear elastic range, the training of the neural network does not have to be repeated even if the geometry of the component changes. It may only be necessary to repeat the training if the deformation of the component takes place in the geometrically non-linear area. Even in the physically non-linear domain, it is not necessary for the neural network training to be repeated when the geometry of a component changes if normalized quantities are used in the neural network training. There are scaling parameters between physical and normalized training data. If a component geometry changes, the same normalized training data can be generated by adjusting scaling variables as with existing training data.
Vorzugsweise werden ungefähr 15000 Datenpunkte für das Training des untrainierten neuronalen Netzes erzeugt. Preferably, approximately 15,000 data points are generated for training the untrained neural network.
Mit den Trainingsdaten wird das zunächst untrainierte neuronale Netz trainiert, um dieses dann dazu zu verwenden in einer FEM-Simulation auf dem Level einzelner Elemente die Steifigkeitskomponenten der Elementsteifigkeitsmatrix zu bestimmen. The initially untrained neural network is trained with the training data in order to then use it to determine the stiffness components of the element stiffness matrix in an FEM simulation at the level of individual elements.
Zum Erzeugen der Trainingsdaten kann das System eine Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von Trainingsdaten für ein neuronales Netz aufweisen. Vorzugsweise ist die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung ausgebildet, ein einzelnes finites Element bereitzustellen und für dieses einzelne finite Element für eine Vielzahl Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren zu erzeugen. To generate the training data, the system can have a training data generation device for generating training data for a neural network. The training data generating device is preferably designed to provide a single finite element and to generate a multiplicity of combinations of generalized force and displacement vectors for this single finite element.
Bevorzugt ist die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung weiterhin ausgebildet, für die Trainingsdaten eine solche Unterteilung zu wählen, dass das trainierte neuronales Netz zum The training data generation device is preferably also designed to select such a subdivision for the training data that the trained neural network for
ERSATZBLATT (REGEL 26) Bestimmen von Steifigke its omponenten zwischen diesen Kraft- und Verschiebungswerten interpolieren kann. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Determining stiffness its components can interpolate between these force and displacement values.
Die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung kann unabhängig von dem System zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils implementiert sein und verwendet werden. The training data generation device can be implemented and used independently of the system for determining internal stress states of a mechanical component.
2.2 Training des neuronalen Netzes 2.2 Training of the neural network
Das Training des neuronalen Netzes erfolgt iterativ mit Hilfe eines Trainingsdatensatzes, der Eingangsvektoren und zugehörige Ausgangsvektoren enthält. Das Training des neuronalen Netzes erfolgt iterativ, wobei in jedem Iterationsschritt die Gewichte der Neuronen so verändert werden, dass die Prädiktion, also der Ausgangsvektor des neuronalen Netzes von dem zugehörigen Ausgangsvektor aus dem Trainingsdatensatz möglichst wenig abweicht. Es ist bevorzugt, dass beim Training des neuronalen Netzes vergleichsweise enge Iterationsschritte, also eine hohe Iterationsschritt-Dichte, verwendet werden. Wenn eine vergleichsweise hohe Dichte an Iterationsschritten für das Training des neuronalen Netzes verwendet wird, hat dies den Vorteil, dass bei einer späteren Verwendung des Systems und/oder des Verfahrens zum Ermitteln innerer Belastungszustände eine vergleichsweise geringere Dichte an Iterationsschritten verwendet kann. Dadurch kann eine weitere Beschleunigung bei der Lösung eines technischen Problems durch das System und/oder das Verfahren erreicht werden. Beispielsweise kann ein Geschwindigkeitsgewinn von über 90% erreicht werden, im Vergleich zur Verwendung einer herkömmlichen FEM. The neural network is trained iteratively with the aid of a training data set that contains input vectors and associated output vectors. The neural network is trained iteratively, with the weights of the neurons being changed in each iteration step in such a way that the prediction, ie the output vector of the neural network, deviates as little as possible from the associated output vector from the training data set. It is preferred that comparatively narrow iteration steps, ie a high iteration step density, are used when training the neural network. If a comparatively high density of iteration steps is used for training the neural network, this has the advantage that a comparatively lower density of iteration steps can be used when the system and/or the method for determining internal stress states is used later. As a result, the solution of a technical problem can be further accelerated by the system and/or the method. For example, a speed gain of over 90% can be achieved compared to using a conventional FEM.
Für das Training können beispielsweise Trainingsdaten verwendet werden, die 15000 Datenpunkte umfassen. Die Trainingsdaten können Geometrieparameter des für das Training verwendeten einzelnen finiten Elements enthalten. For example, training data comprising 15000 data points can be used for the training. The training data may include geometry parameters of the single finite element used for training.
Das Training des neuronalen Netzes erfolgt dadurch, dass mit einer Fehlerfunktion eine Abweichung eines von dem neuronalen Netz vorhergesagten Ausgangsvektors von einem Ausgangsvektor des Trainingsdatensatzes bestimmt und diese Abweichung durch Anpassen der Gewichte des neuronalen Netzes iterativ minimiert wird. The neural network is trained by using an error function to determine a deviation of an output vector predicted by the neural network from an output vector of the training data set and this deviation is iteratively minimized by adapting the weights of the neural network.
Die Komponenten der Eingangsvektoren aus den Trainingsdaten werden als Eingangsdaten an die Eingangs-Neuronen des neuronalen Netzes übergeben. Zu jedem Eingangsvektor bildet das neuronale Netz einen Ausgangsvektor, der sich aus den Ausgangswerten der Ausgangsschicht zusammensetzt. Es wird vorzugsweise ein Sobolev-Training angewendet, d.h., für das Training werden sowohl die Ausgangsvektoren der Ausgangs-Neuronen als auch deren Ableitungen betrachtet. Durch das Sobolev-Training werden Jacobi- The components of the input vectors from the training data are transferred as input data to the input neurons of the neural network. The neural network forms an output vector for each input vector, which is composed of the output values of the output layer. Sobolev training is preferably used, i.e. both the output vectors of the output neurons and their derivatives are considered for the training. Through the Sobolev training, Jacobi
ERSATZBLATT (REGEL 26) Matrix Komponenten öf/öu approximiert. Ein derart trainiertes neuronales Netz liefert als Prädiktion zuverlässige Werte für die Steifigkeitskomponenten. Dies erlaubt die gewünschte Verwendung des neuronalen Netzes zum Bestimmen aktualisierter Steifigkeitskomponenten in der FEM. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Matrix components öf/öu approximated. A neural network trained in this way provides reliable values for the stiffness components as a prediction. This allows the desired use of the neural network to determine updated stiffness components in the FEM.
Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Jacobi-Matrix Komponenten öf/öu von jedem Neuron des neuronalen Netzes in der Fehlerfunktion selbst berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung der Jacobi-Matrix Komponenten öf/öu in der Fehlerfunktion basiert auf den folgenden Überlegungen. This is made possible by the Jacobian matrix components öf/öu being taken into account by each neuron of the neural network in the error function itself. The consideration of the Jacobi matrix components öf/öu in the error function is based on the following considerations.
Ausgegangen wird von der Jacobi Matrix der herkömmlichen FEM wobei Aon das normierte Inkrement des Spannungstensors und Aen das normierte Inkrement des Dehnungstensors bezeichnet. The starting point is the Jacobi matrix of conventional FEM where Ao n is the normalized increment of the stress tensor and Ae n is the normalized increment of the strain tensor.
Darauf aufbauend wird eine Fehlerfunktion definiert. Der letzte Term der Gleichung 13 gibt die von dem neuronalen Netz vorhergesagten Materialsteifigkeiten an und kann mittels automatischen Differenzierens erhalten werden. Based on this, an error function Are defined. The last term of Equation 13 gives the material stiffnesses predicted by the neural network and can be obtained using automatic differencing.
Wenn man jedoch Gleichung 13 für das Training des neuronalen Netzes verwenden würde, müssten zusätzliche, die Materialsteifigkeiten repräsentierende Ausgangs-Neuronen in der Ausgangsschicht vorgesehen sein. Das neuronale Netz muss entsprechend trainiert und die Topologie des neuronalen Netzes entsprechend angepasst werden. However, if one were to use Equation 13 for training the neural network, additional output neurons representing the material stiffnesses would have to be provided in the output layer. The neural network has to be trained accordingly and the topology of the neural network has to be adapted accordingly.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass dies nicht nötig ist, wenn für das Training des neuronalen Netzes eine andere Fehlerfunktion verwendet wird, bei der bereits in der Fehlerfunktion die Materialsteifigkeiten durch die strukturellen Steifigkeiten öf/öu ersetzt werden, d.h. durch die Jacobi Matrix Komponenten des neuronalen Netzes. Diese brauchen nicht in Form von (weiteren) Trainingsdaten vorgegeben zu werden, sondern können während des Trainings durch Ableiten der Ausgangswerte des neuronalen Netzes bestimmt werden. The invention includes the knowledge that this is not necessary if another error function is used for training the neural network, in which the material stiffnesses are already replaced by the structural stiffnesses öf/öu in the error function, i.e. by the Jacobi matrix components of the neural network. These need not be specified in the form of (additional) training data, but can be determined during training by deriving the output values of the neural network.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Das so trainierte neuronale Netz kann dazu verwendet werden, im Rahmen der FEM direkt die Steifigkeitskomponenten eines finiten Elements zu bestimmen. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The neural network trained in this way can be used to directly determine the stiffness components of a finite element within the framework of the FEM.
Das trainierte neuronale Netz kann zum Ermitteln innerer Belastungszustände für Bauteile mit sehr unterschiedlichen Geometrien verwendet werden, ohne dass die Topologie des neuronalen Netzes angepasst oder dieses erneut trainiert werden müsste. The trained neural network can be used to determine internal stress states for components with widely differing geometries without having to adjust the topology of the neural network or retrain it.
Für das Training des neuronalen Netzes unter Verwendung der strukturellen Steifigkeiten öf/öu werden drei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen, das numerische Differenzieren, das automatische Differenzieren und die Evolution konvergierter Steifigkeiten. Three different approaches are proposed for training the neural network using the structural stiffnesses öf/öu, numerical differentiation, automatic differentiation and the evolution of converged stiffnesses.
Im dem Falle, dass für das Training der Ansatz des numerischen Differenzierens oder des automatischen Differenzierens angewendet wird, wird für das Training vorzugsweise die Fehlerfunktion verwendet. Hierbei repräsentiert d die Anzahl der für das Training verwendeten Datenpunkte, also z.B. 15000. Weiterhin repräsentieren i und j entsprechend die Komponenten der Eingangs- bzw. Ausgangsvektoren und können maximal den Wert der maximalen Anzahl an Freiheitsgraden der Knoten annehmen. Die Komponenten des normierten Ausgangsvektors werden mit fni bezeichnet. Die Indizes a und p entsprechen dem tatsächlichen Ausgangsvektor bzw. dem durch das neuronale Netz vorhergesagten Ausgangsvektor. If the approach of numerical differentiation or automatic differentiation is used for the training, the error function is preferably used for the training used. Here, d represents the number of data points used for the training, eg 15000. Furthermore, i and j represent the components of the input and output vectors respectively and can at most assume the value of the maximum number of degrees of freedom of the nodes. The components of the normalized output vector are denoted by f n i . The indices a and p correspond to the actual output vector and the output vector predicted by the neural network, respectively.
Die Fehlerfunktion enthält einen ersten Term, der den Fehler der durch das neuronale Netz vorhergesagten generalisierten Kräfte f repräsentiert. Zusätzlichen enthält die Fehlerfunktion einen zweiten Term, der die von neuronalen Netz vorhergesagte Materialsteifigkeit angibt. Dieser Term enthält Steifigkeitskomponenten öf/öu. Die Gewichte der Neuronen werden im Rahmen des Trainings z.B. mittels eines Gradientenabstiegverfahrens so verändert, dass die Fehlerfunktion minimiert wird. Im Falle der in Gleichung 24 angegebenen Fehlerfunktion führt dies dazu, dass sowohl der Fehler der durch das neuronale Netz vorhergesagten generalisierten Kräfte f, als auch der Fehler der Jacobi Matrix Komponenten öf/öu des Materials des Bauteils minimiert werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig in der Ausgangsschicht weitere Ausgangs-Neuronen vorzusehen, die Steifigkeitskomponenten öf/öu repräsentieren, da diese bereits als Teil des Trainings bestimmt werden. The error function contains a first term that represents the error in the generalized forces f predicted by the neural network. In addition, the error function contains a second term that gives the material stiffness predicted by the neural network. This term contains stiffness components öf/öu. The weights of the neurons are changed as part of the training, e.g. using a gradient descent method, in such a way that the error function is minimized. In the case of the error function specified in Equation 24, this means that both the error in the generalized forces f predicted by the neural network and the error in the Jacobian matrix components öf/öu of the material of the component are minimized. In this case, it is not necessary to provide additional output neurons in the output layer that represent stiffness components δf/δu since these are already determined as part of the training.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Mit dem Sobolev-Training wird zusätzlich der Fehler des zusätzlichen Terms minimiert, der die Steifigkeitskomponenten öf/öu enthält. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) In addition, the error of the additional term containing the stiffness components öf/öu is minimized with the Sobolev training.
Optional kann in dem Training des neuronalen Netzes mit der Fehlerfunktion ein Backpropagation-Algorithmus ausgeführt werden, d.h., ein Ausgangsvektor des neuronalen Netzes wird mit einem Ausgangsvektor, der aus einer herkömmlichen FEM- Simulation bekannt ist, verglichen. Die Abweichung zwischen dem Ausgangsvektor des neuronalen Netzes und dem Ausgangsvektor der FEM wird als Fehler durch das neuronale Netz zurück propagiert, um Gewichte der Neuronen des neuronalen Netzes so anzupassen, dass die Abweichung kleiner wird. Optionally, the error function can be used in the training of the neural network a backpropagation algorithm can be executed, ie an output vector of the neural network is compared with an output vector which is known from a conventional FEM simulation. The deviation between the output vector of the neural network and the output vector of the FEM is propagated back as an error through the neural network to adjust weights of the neurons of the neural network so that the deviation becomes smaller.
Der Backpropagation-Algorithmus kann beispielsweise die Verwendung des Levenberg- Marquardt-Algorithmus umfassen, um eine Konvergenz des Ausgangsvektors des neuronalen Netzes an den per FEM gewonnene Ausgangsvektor aus dem Trainingsdatensatz zu verbessern. Der Levenberg-Marquardt-Algorithmus umfasst die Berücksichtigung einer Jacobi-Matrix der Ableitungen der Fehler an den Neuronen des neuronalen Netzes.The backpropagation algorithm can include, for example, the use of the Levenberg-Marquardt algorithm in order to improve a convergence of the output vector of the neural network to the output vector obtained by FEM from the training data set. The Levenberg-Marquardt algorithm involves considering a Jacobian matrix of the derivatives of the errors on the neurons of the neural network.
Für den Fall, dass für das Training mittels eines dritten Ansatzes, der Evolution konvergierter Steifigkeiten, erfolgt, wird vorzugsweise eine andere Fehlerfunktion verwendet, die wie folgt definiert ist: In the event that the training is done using a third approach, evolution of converged stiffnesses, a different error function is preferably used, which is defined as follows:
Nachdem das neuronale Netz vor der Lösung eines Randwertproblems trainiert wurde, sind dem neuronalen Netz nur die Steifigkeitskomponenten für beliebige Verformungen bekannt, die im Trainingsverlauf mit der FEM an einem einzelnen finiten Element mit den Kraft- und Verschiebungsvektoren in Korrelation gebracht wurden. After training the neural network before solving a boundary value problem, the neural network only knows the stiffness components for arbitrary deformations, which in the course of training were correlated with the FEM at a single finite element with the force and displacement vectors.
Es kann daher sein, dass das trainierte neuronale Netz zwischen Wertepaaren von Kraft- und Verschiebungsvektoren interpolieren muss, um aktualisierte Steifigkeitskomponenten für ein finites Element zu bestimmen. Ein daraus resultierender möglicher Fehler kann durch ein entsprechendes vorangegangenes Training minimiert werden. The trained neural network may therefore need to interpolate between pairs of values of force and displacement vectors to determine updated stiffness components for a finite element. A possible error resulting from this can be minimized by appropriate prior training.
Zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes kann das System eine Bereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes aufweisen. Bevorzugt ist In order to provide the trained neural network, the system can have a provisioning device for providing the trained neural network. is preferred
ERSATZBLATT (REGEL 26) die Bereitstellungsvorrichtung ausgebildet, mittels der Trainingsdaten aus einer Vielzahl Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren ein neuronales Netz so zu trainieren, dass dieses Steifigkeitskomponenten für ein finites Element Vorhersagen kann, und anschließend das trainierte neuronale Netz bereitzustellen. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the provision device is designed to use the training data from a plurality of combinations of generalized force and displacement vectors to train a neural network in such a way that it can predict stiffness components for a finite element, and then to provide the trained neural network.
Die Bereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes kann unabhängig von der Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung und von dem System zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils implementiert sein und verwendet werden. Die Bereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes kann unabhängig von der Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung auch ein Subsystem des Systems zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils bilden. The provision device for providing the trained neural network can be implemented and used independently of the training data generation device and of the system for determining internal stress states of a mechanical component. The provision device for providing the trained neural network can also form a subsystem of the system for determining internal load states of a mechanical component, independently of the training data generation device.
3. Funktion des trainierten neuronalen Netzes im Rahmen der FEM 3. Function of the trained neural network in the context of the FEM
Wie die Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix für ein finites Element eines verformten Bauteils aktualisiert werden hängt insbesondere davon ab, nach welchem der drei unterschiedlichen Ansätze, dem numerischen Differenzieren, dem automatischen Differenzieren oder der Evolution konvergierter Steifigkeiten, trainiert wurde. How the stiffness components of an element stiffness matrix for a finite element of a deformed part are updated depends in particular on which of the three different approaches, numerical differencing, automatic differencing or evolution of converged stiffnesses, was trained.
Zunächst wird beschrieben, wie die Steifigkeitskomponenten bestimmt werden können, wenn das neuronale Netz nach dem ersten Ansatz des numerischen Differenzierens trainiert wurde. First, it is described how the stiffness components can be determined when the neural network has been trained according to the first approach of numerical differentiation.
Wenn ein Elementknoten s Freiheitsgrade hat und eine Anzahl m generalisierter Verschiebungen und Kräfte einzigartig sind, müssen nur eine Anzahl m einzigartiger Steifigkeitsinformationen für das Training berücksichtigt werden. If an element node has s degrees of freedom and m number of generalized displacements and forces are unique, only m number of unique stiffness information needs to be considered for training.
Bei dem numerischen Differenzieren liefert das neuronale Netz einen Ausgangsvektor, der generalisierte Kräfte repräsentiert, die wiederum unter Verwendung der Gleichung in normierten Steifigkeitskomponenten des i-ten Elements umgerechnet werden können, wobei f'nn eine Komponente des Ausgangsvektors des trainierten neuronalen Netzes, un m die m-te Komponente der generalisierten Verschiebungsmatrix, em einen in das neuronale Netz eingeführten Störwert (engl. disturbance value) und öfni/öun m die normierte Steifigkeitskomponente repräsentieren. In numerical differencing, the neural network provides an output vector representing generalized forces, again using the equation can be converted into normalized stiffness components of the i-th element, where f'nn is a component of the output vector of the trained neural network, u n m is the m-th component of the generalized displacement matrix, e m is a disturbance value introduced into the neural network value) and öf n i/öu n m represent the normalized stiffness component.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Hierbei wird angenommen, dass die Gewichte und Bias der Neuronen des neuronalen Netzes in den Komponenten des Ausgangsvektors des trainierten neuronalen Netzes f'nn enthalten sind. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) It is assumed here that the weights and biases of the neurons of the neural network are contained in the components of the output vector of the trained neural network f'nn.
Die normierten Steifigkeitskomponenten lassen sich durch Lösen der Gleichung x~ x The normalized stiffness components can be obtained by solving the equation x~ x
■'■max Amin nach x in physikalische Größen überführen, mit denen dann die Elementsteifigkeitsmatrix des sich verformenden finiten Elements aktualisiert werden kann. ■'■max A min after x in physical quantities, with which then the element stiffness matrix of the deforming finite element can be updated.
Wenn das neuronale Netz nach dem Ansatz des automatischen Differenzierens trainiert wurde, können die Steifigkeitskomponenten mittels der Gleichung bestimmt werden. Im Unterschied zu Gleichung 27 gehen in Gleichung 37 die gewichtete Summe und die Ausgangsvektoren ein, die wiederum von den Gewichten und den Bias der Neuronen des neuronalen Netzes abhängen. Bei dem Ansatz des automatischen Differenzierens wird kein Störwert benötigt, um die normierten Steifigkeitskomponenten zu bestimmen. If the neural network has been trained using the automatic differencing approach, the stiffness components can be calculated using the equation to be determined. In contrast to Equation 27, Equation 37 includes the weighted sum and the output vectors, which in turn depend on the weights and the biases of the neurons in the neural network. With the auto-differentiation approach, no perturbation value is needed to determine the normalized stiffness components.
Die normierten Steifigkeitskomponenten lassen sich durch Lösen der Gleichung The normalized stiffness components can be obtained by solving the equation
> x~xmin norm > x ~ x min norm
■'■max Amin nach x in physikalische Größen überführen, mit denen dann die Elementsteifigkeitsmatrix des sich verformenden finiten Elements aktualisiert werden kann. ■'■max A min according to x in physical quantities, with which then the element stiffness matrix of the deforming finite element can be updated.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Wenn das neuronale Netz gemäß dem Ansatz der Evolution konvergierter Steifigkeiten trainiert wurde, können die Steifigkeitskomponenten mittels der Gleichung bestimmt werden. Sobald die Steifigkeitskomponenten bestimmt wurden, werden diese vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung in physikalische Größen überführt. Anschließend werden die konvergierten Steifigkeitskomponenten in die Elementsteifigkeitsmatrix eingesetzt, um die Elementsteifigkeitsmatrix zu aktualisieren. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) When the neural network has been trained according to the converged stiffness evolution approach, the stiffness components can be calculated using the equation to be determined. Once the stiffness components have been determined, these preferably converted into physical quantities using the equation. Then the converged stiffness components are inserted into the element stiffness matrix to update the element stiffness matrix.
Das trainierte neuronale Netz kann in einen herkömmlichen FE-Gleichungslöser intergiert oder an diesen zum Datenaustausch angebunden werden. The trained neural network can be integrated into a conventional FE equation solver or connected to it for data exchange.
4. Aktualisieren der Steifiqkeitskomponenten während der Ermittlung innerer Belas- tunqszustände 4. Updating the stiffness components during the determination of internal loading states
Zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils wird das Gleichgewicht F=K*X gesucht. Es kann jedoch insbesondere bei plastischen oder nichtlinearen geometrischen Verformungen in dem Bauteil vorkommen, dass sich dieses Gleichgewicht bei der Verwendung eines Feed-Forward neuronalen Netzes im Rahmen der FEM nur näherungsweise einstellt. To determine the internal load conditions of a mechanical component, the equilibrium F=K*X is sought. However, it can happen, particularly in the case of plastic or non-linear geometric deformations in the component, that this equilibrium is only approximately established when using a feed-forward neural network within the framework of the FEM.
Zuverlässiger kann das Gleichgewicht F=K*X bestimmt werden, wenn das im Rahmen der FEM verwendete neuronale Netz ein LSTM ist oder ein LSTM aufweist. Insbesondere dann, wenn das neuronale Netz ein LSTM ist oder aufweist, ist es möglich, die konvergierten Steifigkeitskomponenten während der Bestimmung innerer Belastungszustände zu aktualisieren. Das LSTM ermöglicht es Zustandsvariablen zu verarbeiten, durch die das LSTM eine Pfadabhängigkeit lernen kann. Dies wird mit dem LSTM dadurch erreicht, dass das LSTM während eines Vorwärtsdurchlaufs die Zustandsvariablen aktualisiert. Diese Aktualisierung der Zustandsvariablen kann implizit pfadabhängiges Verhalten behandeln. The balance F=K*X can be determined more reliably if the neural network used in the FEM is an LSTM or has an LSTM. In particular, when the neural network is or comprises an LSTM, it is possible to update the converged stiffness components during the determination of internal stress states. The LSTM makes it possible to process state variables through which the LSTM can learn a path dependency. This is accomplished with the LSTM by the LSTM updating the state variables during a forward pass. This update of the state variables can implicitly handle path dependent behavior.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Wenn das in dem System oder in dem Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils verwendete neuronale Netz ein LSTM ist oder aufweist, kann der Vorwärtspfand dazu verwendet werden den konvergierten internen Kraftvektor zu berechnen und der Rückwärtspfad kann dazu verwendet werden, die konvergierten Steifigkeitskomponenten für das jeweilige Inkrement zu erhalten. Dabei ersetzt das LSTM insbesondere die für die Materialintegration erforderlichen Iterationen zum Berechnen eines Inkrements der äquivalenten plastischen Dehnung und die in dem nichtlinearen Gleichungslöser (z.B. einem Newton-Raphson Gleichungslöser) erforderlichen Iterationen zum Erreichen des Gleichgewichts F=K*X. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) If the neural network used in the system or method for determining internal stress states of a mechanical component is or comprises an LSTM, the forward path can be used to calculate the converged internal force vector and the backward path can be used to compute the converged stiffness components for the to receive the respective increment. In particular, the LSTM replaces the iterations required for material integration to calculate an increment of the equivalent plastic strain and the iterations required in the nonlinear solver (eg a Newton-Raphson solver) to reach the equilibrium F=K*X.
Die Steifigkeitskomponenten können dabei entweder mit der Gleichung berechnet und entsprechend aktualisiert werden. The stiffness components can either be calculated with the equation calculated and updated accordingly.
Das neuronale Netz mit LSTM kann also in der FEM eingesetzt und zur Aktualisierung des Vektors der inneren Kraft und der Steifigkeitsberechnung für jedes Element im elastischplastischen Bereich verwendet werden. In einem weiteren Schritt kann aus den Steifigkeitsberechnungen für jedes Element die globale Steifigkeitsmatrix zusammengesetzt und der entsprechende Verschiebungsvektor berechnet werden. So, the neural network with LSTM can be deployed in the FEM and used to update the internal force vector and the stiffness calculation for each element in the elastic-plastic domain. In a further step, the global stiffness matrix can be assembled from the stiffness calculations for each element and the corresponding displacement vector can be calculated.
Das Aktualisieren der Steifigkeitskomponenten im Rahmen der FEM durch die Verwendung eines LSTM hat den Vorteil, dass weitere Iterationen vermieden werden können, die bei der herkömmlichen FEM erforderlich wären. Dadurch kann zum einen die Rechenzeit weiter verkürzt und damit Ressourcen eingespart werden. Zum anderen kann sichergestellt werden, dass die FEM zu einer Lösung im Gleichgewicht F=K*X konvergiert, so dass die FEM zuverlässiger und genauer wird. Tatsächlich können eine Reihe von technischen Problemen im elastisch-plastischen Bereich erst durch die Verwendung eines LSTM zum Aktualisieren der Steifigkeitskomponenten im Rahmen der FEM zuverlässig oder überhaupt erst gelöst werden. Updating the stiffness components as part of the FEM by using an LSTM has the advantage of avoiding further iterations that would be required with the traditional FEM. On the one hand, this can further reduce the computing time and thus save resources. On the other hand, it can be ensured that the FEM converges to an equilibrium solution F=K*X, so that the FEM becomes more reliable and more accurate. In fact, a number of technical problems in the elastic-plastic domain can only be solved reliably or at all by using an LSTM to update the stiffness components in the context of the FEM.
Entsprechend ist eine Verwendung eines LSTM insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zugrundeliegende Problem komplexer wird, z.B. nichtlinear wird, und z.B. mehr Gauß- Accordingly, using an LSTM is particularly advantageous when the underlying problem becomes more complex, e.g. becomes nonlinear, and e.g. more Gaussian
ERSATZBLATT (REGEL 26) Punkte erfordert. Es hat sich diesbezüglich herausgestellt, dass der rechnerische Gewinn insbesondere im elastisch-plastischen Bereich vergleichsweise deutlich zutage tritt (über 90 % im Vergleich zur herkömmlichen FEM), da aufgrund der impliziten Approximation des nichtlinearen Verhaltens die Iterationen bei der Materialintegration obsolet und die Gauß- Integration ersetzt wird, die zur Berechnung der nichtlinearen Evolution des inneren Kraftvektors und der Steifigkeitsmatrix erforderlich ist. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) points required. In this regard, it has been found that the computational gain is comparatively clear, especially in the elastic-plastic range (over 90% compared to conventional FEM), since the iterations in material integration and Gaussian integration are obsolete due to the implicit approximation of the nonlinear behavior is replaced, which is required to calculate the non-linear evolution of the internal force vector and the stiffness matrix.
Zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte führt ein FE-Gleichungslöser und das trainierte neuronale Netz bevorzugt die folgenden Schritte aus: To determine the internal stress states of a mechanical component when external forces are applied, an FE solver and the trained neural network preferably perform the following steps:
1) Bereitstellen der Beziehung zwischen Knoten und Elementen, d.h. Strukturinformation und Randbedingungen für das Bauteil. 1) Providing the relationship between nodes and elements, i.e. structural information and boundary conditions for the part.
2) Bestimmen der Elementsteifigkeitsmatrizen für die finiten Elemente. Die berechneten Elementsteifigkeitsmatrizen können zu einer globalen Steifigkeitsmatrix zusammengefasst werden, die die Steifigkeitskomponenten der Elementsteifigkeitsmatrizen umfasst. 2) Determine the element stiffness matrices for the finite elements. The calculated element stiffness matrices can be combined into a global stiffness matrix that includes the stiffness components of the element stiffness matrices.
3) Bestimmen der globalen Verschiebungsmatrix der Verschiebungsvektoren aller finiten Elemente mit dem Newton-Raphson-Gleichungslöser unter Verwendung der globalen Steifigkeitsmatrix. 3) Determine the global displacement matrix of the displacement vectors of all finite elements with the Newton-Raphson solver using the global stiffness matrix.
Für ein erstes Inkrement: For a first increment:
4) Ermitteln für welche Elemente die Verschiebungsvektoren kleiner als ein vorgegebenes Maß sind, um solche finite Elemente zu identifizieren, die sich in Bereichen des Bauteils befinden, in denen sich das Bauteil verformt. 4) Determining for which elements the displacement vectors are smaller than a predetermined amount in order to identify those finite elements which are located in regions of the component in which the component deforms.
Für ein oder mehrere weitere Inkremente: For one or more more increments:
Für diejenigen Bereiche in denen das Bauteil einer Verformung unterzogen wird: For those areas where the component is subjected to deformation:
5) Aktualisieren der Elementsteifigkeitsmatrizen derjenigen finiten Elemente, die einer Verformung unterzogen werden, durch das trainierte neuronale Netz. 5) Update the element stiffness matrices of those finite elements undergoing deformation by the trained neural network.
6) Aktualisieren der globalen Steifigkeitsmatrix durch die Steifigkeitskomponenten der aktualisierten Elementsteifigkeitsmatrizen der entsprechenden finiten Elemente. 6) Update the global stiffness matrix by the stiffness components of the updated element stiffness matrices of the corresponding finite elements.
ERSATZBLATT (REGEL 26) 7) Bestimmen des globalen Verschiebungsvektors unter Verwendung der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix. Dabei können die in einem Inkrement bestimmten Verschiebungen wiederum als Eingangsvektor für ein neuronales Netz verwendet werden, das in einem nachfolgenden Inkrement dazu verwendet wird, Steifigkeitskomponenten eines finiten Elements in dem nachfolgenden Inkrement zu bestimmen. Hierbei ist kein Newton- Raphson-Gleichungslöser mehr erforderlich, da bereits konvergierte Elementsteifigkeiten aus dem trainierten neuronalen Netz verwendet werden. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 7) Determine the global displacement vector using the updated global stiffness matrix. The displacements determined in one increment can in turn be used as an input vector for a neural network, which is used in a subsequent increment to determine stiffness components of a finite element in the subsequent increment. In this case, a Newton-Raphson equation solver is no longer required, since element stiffnesses from the trained neural network that have already converged are used.
Nachdem der innere Belastungszustand im Kräftegleichgewicht bestimmt wurde, abschließend: After the internal load state has been determined in the balance of forces, finally:
8) Darstellen des inneren Belastungszustands des mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte. 8) Representation of the internal stress condition of the mechanical component when external forces are applied.
Das vorstehend beschriebene Vorgehen zum Lösen eines Randwertproblems ist inkre- mentell, wie in der klassischen FEM, aber es werden keine Iterationen innerhalb eines Inkrementes mehr benötigt und damit auch nicht mehr der Newton-Raphson-Gleichungs- löser. Die Steifigkeitskomponenten sind dem neuronalen Netz in jedem Iterationsschritt aus dem Training bekannt. Das heißt, man verwendet bei dem Bestimmen einer mechanischen Verformung eines Bauteils bereits bekannte Steifigkeitskomponenten aus dem Training und ordnet sie den sich einstellenden generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren zu. Dadurch umgeht man die Iteration in einem Inkrement. The procedure described above for solving a boundary value problem is incremental, as in classical FEM, but iterations within an increment are no longer required and therefore the Newton-Raphson equation solver is no longer required either. The stiffness components are known to the neural network from the training in each iteration step. This means that when determining a mechanical deformation of a component, known stiffness components from the training are used and assigned to the generalized force and displacement vectors that occur. This bypasses the iteration in one increment.
Es wird daher der Grundsatz des inkrementellen Vorgehens mittels FEM beibehalten, die Iterationen in jedem Inkrement werden aber beseitigt. Sobald man ein einzelnes Element, wie vorstehend beschrieben, trainiert hat, kann man es auf eine beliebig komplizierte Struktur eines Bauteils, die aus diesen einzelnen Elementen zusammengesetzt ist, anwenden, um komplexe Strukturdeformationen zu berechnen. Dies macht das Vorgehen effizient hinsichtlich Rechenzeit und Konvergenz. The principle of the incremental procedure using FEM is therefore retained, but the iterations in each increment are eliminated. Once one has trained a single element as described above, one can apply it to an arbitrarily complex structure of a device composed of these single elements to calculate complex structural deformations. This makes the procedure efficient in terms of computing time and convergence.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt: The invention will now be explained in more detail using exemplary embodiments with reference to the figures. From the figures shows:
Fig. 1 :schematisch ein System zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils beim Einwirken äußerer Kräfte; 1 shows a schematic of a system for determining the internal load conditions of a mechanical component when external forces act;
Fig. 2:ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Trainieren eines neuronalen Netzes zur Verwendung in einem wie mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Systems; FIG. 2 shows a flowchart for a method for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG. 1;
ERSATZBLATT (REGEL 26) Fig. 3:ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Generieren von Trainingsdaten zum Trainieren eines neuronalen Netzes zur Verwendung in einem wie mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Systems; SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) FIG. 3 shows a flowchart for a method for generating training data for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG. 1;
Fig. 4:ein schematisch dargestelltes neuronales Netz mit Feed-forward Topologie, das ausgebildet ist, Verschiebungen auf Kräfte abzubilden; 4 shows a schematically illustrated neural network with feed-forward topology, which is designed to map displacements onto forces;
Fig. 5:einen Ausschnitt eines schematisch dargestellten neuronalen Netzes 500 mit Feedforward Topologie zum Ermitteln von Jacobi-Matrix Komponenten, das unter Verwendung eines Backpropagation-Algorithmus trainiert wird; 5 shows a section of a schematically illustrated neural network 500 with feedforward topology for determining Jacobi matrix components, which is trained using a backpropagation algorithm;
Fig. 6:ein schematisch dargestelltes neuronales Netz mit Feed-forward Topologie, das ausgebildet ist, Zustandsvariablen auf normierte Steifigke its omponenten abzubilden; 6 shows a schematically illustrated neural network with feed-forward topology, which is designed to map state variables to normalized stiffness components;
Fig. 7:ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Aktualisieren der Steifigkeitskomponenten einer globalen Steifigkeitsmatrix, wobei die Steifigkeitskomponenten auf drei unterschiedliche Weisen bestimmt werden können; 7 shows a flowchart for a method for updating the stiffness components of a global stiffness matrix, with the stiffness components being able to be determined in three different ways;
Fig. 8:ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren, in dem die FEM dazu verwendet wird ein mechanisches Verhalten eines Bauteils zu simulieren, wobei in dem Verfahren ein trainiertes neuronales Netz Steifigkeitskomponenten für ein finites Element bestimmt, das einer Verformung unterzogen wird; 8 shows a flow chart for a method in which the FEM is used to simulate a mechanical behavior of a component, in which method a trained neural network determines stiffness components for a finite element which is subjected to deformation;
Fig. 9:drei auf Basis unterschiedlicher Annahmen erzeugte Kurven, die das Steifigkeitsverhalten eines Balkens darstellen und mit dem durch die FEM vorhergesagten Steifigkeitsverhalten verglichen werden; 9: three curves generated on the basis of different assumptions, which represent the stiffness behavior of a beam and are compared with the stiffness behavior predicted by the FEM;
Fig. 10: eine 2D-Simulation einer Plattenstruktur. Fig. 10: a 2D simulation of a plate structure.
Figur 1 zeigt schematisch ein System 100 zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils 102 beim Einwirken äußerer Kräfte 104. Beispielhaft wird hier als Bauteil 102 eine Hohlwelle angenommen, die an zwei Punkten 106, 108 gelagert ist.FIG. 1 shows a schematic of a system 100 for determining the internal load conditions of a mechanical component 102 when external forces 104 act. A hollow shaft, which is mounted at two points 106, 108, is assumed here as an example as component 102.
Auf diese Hohlwelle 102 wirkt mittig eine von einer Messvorrichtung 113 vorgegebene äußere Kraft 104. Aufgrund der Lagerung 106, 108 der Hohlwelle 102 ist davon auszugehen, dass sich die Hohlwelle 102 insbesondere in dem Bereich 110 zwischen den Lagerpunkten 106, 108 aufgrund der Einwirkung der äußeren Kraft 104 verformt. Die äußere Verformung wird von der Messvorrichtung 113 gemessen. An external force 104 specified by a measuring device 113 acts centrally on this hollow shaft 102. Due to the bearing 106, 108 of the hollow shaft 102, it can be assumed that the hollow shaft 102, particularly in the area 110 between the bearing points 106, 108, will move due to the action of the external Force 104 deformed. The external deformation is measured by the measuring device 113 .
ERSATZBLATT (REGEL 26) Geometriedaten 112, die die Geometrie der Hohlwelle 102 repräsentieren, werden über eine Eingabe-Schnittstelle an einen FE-Präprozessor 114 übergeben. Weiterhin werden die gemessene äußere Verformung sowie die vorgegebene Kraft 104 als Eingabedaten 117 über die Eingabe-Schnittstelle an den FE-Präprozessor 114 übergeben. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Geometry data 112, which represent the geometry of the hollow shaft 102, are transferred to an FE preprocessor 114 via an input interface. Furthermore, the measured external deformation and the specified force 104 are transferred as input data 117 to the FE preprocessor 114 via the input interface.
Der FE-Präprozessor 114 ist Bestandteil eines Computers 115, der weiterhin einen FE- Gleichungslöser 116, ein trainiertes neuronales Netz 118 und einen FE-Postprozessor 120 umfasst. Der FE-Präprozessor 114, der FE-Gleichungslöser 116, das trainierte neuronale Netz 118 und der FE-Postprozessor 120 bilden ein FEM-Subsystem. The FE preprocessor 114 is part of a computer 115 which further comprises an FE solver 116, a trained neural network 118 and an FE postprocessor 120. The FE preprocessor 114, the FE solver 116, the trained neural network 118 and the FE postprocessor 120 form a FEM subsystem.
Der FE-Präprozessor 114 unterteilt die Hohlwelle 102 in eine Anzahl finiter Elemente und weist den Elementen Materialeigenschaften und Randbedingungen zu. Die Randbedingungen umfassen insbesondere die Richtung und den Betrag der von außen einwirkenden Kraft 104 sowie die von der Messvorrichtung gemessene äußeren Verformung der Hohlwelle 102. The FE preprocessor 114 divides the hollow shaft 102 into a number of finite elements and assigns material properties and boundary conditions to the elements. The boundary conditions include, in particular, the direction and the magnitude of the force 104 acting from the outside, as well as the external deformation of the hollow shaft 102 measured by the measuring device.
Für die Hohlwelle 102 wird von dem FE-Präprozessor 114 eine globale Steifigkeitsmatrix aufgestellt, die auf der ursprünglichen Geometrie der Hohlwelle 102, ohne Berücksichtigung von von äußeren Kräften induzierten Verformungen, beruht. A global stiffness matrix is set up for the hollow shaft 102 by the FE preprocessor 114, which matrix is based on the original geometry of the hollow shaft 102, without taking into account deformations induced by external forces.
Aufgrund der Verformung der Hohlwelle 102 ändert sich deren Geometrie und somit auch die Besetzung der globalen Steifigkeitsmatrix mit Steifigkeitskomponenten. Due to the deformation of the hollow shaft 102, its geometry changes and thus also the population of the global stiffness matrix with stiffness components.
Die Änderung der Steifigkeitskomponenten der globalen Steifigkeitsmatrix wird zunächst mit einem FE-Gleichungslöser 116 iterativ unter Verwenden des Newton-Raphson-Glei- chungslösers bestimmt. Anhand dieser ersten Bestimmung der Steifigkeitskomponenten der globalen Steifigkeitsmatrix durch den FE-Gleichungslöser 116 lassen sich solche Elemente der Hohlwelle 102 identifizieren, in denen sich die Hohlwelle 102 verformt. Die Steifigkeitskomponenten insbesondere dieser Elemente, in denen sich die Hohlwelle 102 verformt, können sich ändern und sollten neu bestimmt werden. Die globale Steifigkeitsmatrix wird vorzugsweise aktualisiert, um die veränderte Geometrie der verformten Hohlwelle 102 zu repräsentieren. The change in the stiffness components of the global stiffness matrix is first determined iteratively with an FE solver 116 using the Newton-Raphson solver. Based on this first determination of the stiffness components of the global stiffness matrix by the FE equation solver 116, those elements of the hollow shaft 102 in which the hollow shaft 102 deforms can be identified. The stiffness components, in particular of these elements in which the hollow shaft 102 deforms, can change and should be redetermined. The global stiffness matrix is preferably updated to represent the changed geometry of the deformed hollow shaft 102 .
Gemäß einer herkömmlichen Implementierung der FEM wird ein FE-Gleichungslöser dazu verwendet in mehreren Inkrementen und für jedes Inkrement iterativ zum Lösen des Gleichungssystems K*X=F die neuen Steifigkeitskomponenten zu bestimmen. Dabei sollen die iterativ ermittelten Steifigkeitskomponenten sich den tatsächlichen Steifigkeitskomponenten annähern, d.h., die gefundenen Lösungen müssen konvergieren. According to a conventional implementation of the FEM, an FE equation solver is used to determine the new stiffness components in several increments and iteratively for each increment to solve the equation system K*X=F. The iteratively determined stiffness components should approach the actual stiffness components, i.e. the solutions found must converge.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Bei dem hier beschriebenen System 100 werden die Steifigkeitskomponenten derjenigen finiten Elemente, in denen sich die Hohlwelle 102 verformt, für jedes Inkrement durch ein trainiertes neuronales Netz 118 bestimmt. Das iterative Lösen des Gleichungssystems K*X=F mittels eines Newton-Raphson-Gleichungslösers entfällt. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) In the system 100 described here, the stiffness components of those finite elements in which the hollow shaft 102 deforms are determined by a trained neural network 118 for each increment. The iterative solution of the system of equations K*X=F using a Newton-Raphson solver is no longer necessary.
Die für das trainierte neuronale Netz 118 verwendeten Trainingsdaten 126 werden in dem System 100 mit einer Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung 128 erzeugt. Die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung 128 ist ausgebildet, ein einzelnes finites Element bereitzustellen und für dieses einzelne finite Element für eine Vielzahl Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren zu erzeugen. Insbesondere ist die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung 128 ausgebildet, für die Trainingsdaten 126 eine solche Unterteilung zu wählen, dass das trainierte neuronales Netz 118 zum Bestimmen von Steifigkeitskompo- nenten zwischen diesen Werten interpolieren kann. The training data 126 used for the trained neural network 118 is generated in the system 100 with a training data generation device 128 . The training data generation device 128 is configured to provide a single finite element and to generate a plurality of combinations of generalized force and displacement vectors for this single finite element. In particular, the training data generation device 128 is designed to select such a subdivision for the training data 126 that the trained neural network 118 can interpolate between these values to determine stiffness components.
Zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes 118 weist das System 100 eine Bereitstellungsvorrichtung 130 auf. Die Bereitstellungsvorrichtung130 ist ausgebildet, mittels der Trainingsdaten 126 ein bereitgestelltes untrainiertes neuronales Netz so zu trainieren, dass dieses zu auf ein finites Element einwirkenden Kraft- und Verschiebungsvektoren Steifigkeitskomponenten für ein finites Element liefert. Nach Abschluss des Trainings stellt die Bereitstellungsvorrichtung 130 das trainierte neuronale Netz 118 bereit. The system 100 has a provision device 130 for providing the trained neural network 118 . The provision device 130 is designed to use the training data 126 to train a provided untrained neural network in such a way that it supplies stiffness components for a finite element for force and displacement vectors acting on a finite element. After the training is complete, the provisioning device 130 provides the trained neural network 118 .
Die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung 128 und die Bereitstellungsvorrichtung 130 können ebenfalls Bestandteile des Computers 115 sein und bilden ein Trainingssubsystem.The training data generation device 128 and the provision device 130 can also be components of the computer 115 and form a training subsystem.
Vorteilhafter Weise können das FEM-Subsystem (mit dem FE-Präprozessor 114, dem FE- Gleichungslöser 116, dem trainierten neuronalen Netz 118 und dem FE-Postprozessor 120) und das Trainingssubsystem (mit der Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung 128 und der Bereitstellungsvorrichtung 130) unabhängig voneinander verwirklicht sein und auch zeitlich unabhängig voneinander betrieben werden. Advantageously, the FEM subsystem (comprising the FE preprocessor 114, the FE solver 116, the trained neural network 118 and the FE postprocessor 120) and the training subsystem (comprising the training data generator 128 and the provider 130) can be implemented independently of one another and can also be operated independently of one another in terms of time.
Das trainierte neuronale Netz 118 erhält von dem FE-Gleichungslöser 116 für ein entsprechendes Element einen Eingangsvektor, der die für dieses finite Element ermittelten Verschiebungen oder Zustandsvariablen repräsentiert. Das trainierte neuronale Netz liefert daraufhin einen Ausgangsvektor, der normierte Kräfte oder direkt normierte Steifigkeitskomponenten repräsentiert. D.h., das trainierte neuronale Netz bildet die für dieses finite Element ermittelten Verschiebungen oder Zustandsvariablen auf normierte Kräfte oder direkt auf normierte Steifigkeitskomponenten ab. The trained neural network 118 receives an input vector from the FE solver 116 for a corresponding element, which represents the displacements or state variables determined for this finite element. The trained neural network then supplies an output vector that represents normalized forces or directly normalized stiffness components. This means that the trained neural network maps the displacements or state variables determined for this finite element to normalized forces or directly to normalized stiffness components.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Falls das trainierte neuronale Netz 1 18 als Ausgangsvektor normierte Kräfte ausgibt, werden diese in Steifigkeitskomponenten umgerechnet. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) If the trained neural network 118 outputs normalized forces as the output vector, these are converted into stiffness components.
Das trainierte neuronale Netz 118 aktualisiert auf diese Weise die Steifigkeitskomponenten für jedes der finiten Elemente, in denen sich die Hohlwelle 102 verformt. Dies erfolgt für jedes finite Element in jedem Inkrement für das das trainierte neuronale Netz 118 aufgerufen wird. The trained neural network 118 thus updates the stiffness components for each of the finite elements in which the hollow shaft 102 deforms. This is done for each finite element in each increment for which the trained neural network 118 is invoked.
Mit den durch das trainierte neuronale Netz 118 für die jeweiligen finiten Elemente neu bestimmten Steifigkeitskomponenten wird die globale Steifigkeitsmatrix in dem jeweiligen Inkrement aktualisiert. Die durch das trainierte neuronale Netz 118 neu bestimmten Steifigkeitskomponenten sind bereits konvergierte normierte Steifigkeitskomponenten. Die Steifigkeitskomponenten müssen daher nicht erneut iterativ z.B. durch Verwenden eines Newton-Raphson-Gleichungslösers mit dem FE-Gleichungslöser 116 bestimmt werden.The global stiffness matrix is updated in the respective increment with the stiffness components newly determined by the trained neural network 118 for the respective finite elements. The stiffness components newly determined by the trained neural network 118 are normalized stiffness components that have already converged. The stiffness components therefore do not have to be determined again iteratively, e.g., by using a Newton-Raphson solver with the FE solver 116.
Der FE-Gleichungslöser 1 16 bestimmt anschließend auf Basis der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix in einem oder mehreren Inkrementen die mechanische Verformung der Hohlwelle 102. Das iterative Ermitteln der neuen Steifigkeitskomponenten durch den FE- Gleichungslöser 116 fällt somit bei dem hier beschriebenen System 100 weg. Dadurch kann der Bedarf an Arbeitsspeicherkapazitäten reduziert und das Ermitteln der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix beschleunigt werden. The FE equation solver 116 then determines the mechanical deformation of the hollow shaft 102 in one or more increments based on the updated global stiffness matrix. The iterative determination of the new stiffness components by the FE equation solver 116 is therefore omitted in the system 100 described here. This reduces the need for working memory capacities and speeds up the determination of the updated global stiffness matrix.
Mit einem FE-Postprozessor 120 kann die verformte Hohlwelle graphisch auf einem Monitor 122 des Computers 115 dargestellt werden. Dabei kann die Verformung auch quantifiziert und z.B. das der Hohlwelle inhärente Dehnungsfeld 124 oder Spannungsfeld dargestellt werden. Das inhärente Dehnungsfeld 124 oder Spannungsfeld repräsentiert die inneren Belastungszustände der Hohlwelle 102, die bei der gemessenen äußeren Verformung der Hohlwelle 102 auftreten. Vorteilhafterweise können die inneren Belastungszustände der Hohlwelle 102 mit dem System auch dann zuverlässig und präzise ermittelt werden, wenn sich die Hohlwelle 102 aufgrund der ausgeübten Kraft 104 plastisch verformt oder innere Schädigungen aufweist, oder wenn sich die Hohlwelle 102 aufgrund der ausgeübten Kraft 104 nichtlinear geometrisch verformt. The deformed hollow shaft can be displayed graphically on a monitor 122 of the computer 115 with an FE post-processor 120 . The deformation can also be quantified and, for example, the expansion field 124 or stress field inherent in the hollow shaft can be displayed. The inherent strain field 124 or stress field represents the internal stress conditions of the quill 102 that occur during the measured external deflection of the quill 102 . Advantageously, the internal stress states of the hollow shaft 102 can also be determined reliably and precisely with the system if the hollow shaft 102 is plastically deformed or has internal damage due to the force 104 exerted, or if the hollow shaft 102 is deformed non-linearly geometrically due to the force 104 exerted .
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Trainieren eines neuronalen Netzes zur Verwendung in einem wie mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen System. FIG. 2 shows a flowchart for a method for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG.
In dem Verfahren wird zunächst ein neuronales Netz bereitgestellt (Schritt S1). Das neuronale Netz hat eine Eingangsschicht, die eine Anzahl Eingangs-Neuronen aufweist, und eine Ausgangschicht, die eine Anzahl Ausgangs-Neuronen aufweist. Weiterhin weist das In the method, a neural network is first provided (step S1). The neural network has an input layer, which has a number of input neurons, and an output layer, which has a number of output neurons. Furthermore, that shows
ERSATZBLATT (REGEL 26) neuronale Netz wenigstens eine Zwischenschicht, die eine Anzahl Zwischenschicht-Neuronen umfasst, auf. Das neuronale Netz umfasst weiterhin den Neuronen zugeordnete Gewichte. Das neuronale Netz kann beispielweise das mit Bezug auf Figur 4, 5, oder 6 beschriebene neuronale Netz sein. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) neural network has at least one intermediate layer comprising a number of intermediate layer neurons. The neural network also includes weights assigned to the neurons. The neural network can be, for example, the neural network described with reference to FIG. 4, 5, or 6.
Das neuronale Netz wird mit Trainingsdaten trainiert (Schritt S2), wobei die Trainingsdaten ein mechanisches Verhalten (Verschiebung, Dehnung) eines einzelnen finiten Elements unter Einwirkung äußerer Kräfte repräsentieren. The neural network is trained with training data (step S2), the training data representing a mechanical behavior (displacement, strain) of an individual finite element under the influence of external forces.
Das neuronale Netz wird unter Verwendung einer Fehlerfunktion trainiert. Für den Fall, dass der Ansatz des numerischen Differenzierens oder des automatischen Differenzierens verfolgt wird, kann die Fehlerfunktion definiert sein als The neural network is trained using an error function. In case the numerical differencing or automatic differencing approach is followed, the error function can be defined as
In dem Verfahren wird dann durch Verwenden der Fehlerfunktion vorzugsweise weiterhin ein Fehler hinsichtlich der von dem neuronalen Netz vorhergesagten generalisierten Kräfte fni minimiert und die Gewichte der Neuronen des neuronalen Netzes entsprechend angepasst (Schritt S3). Zusätzlich kann ein Fehler hinsichtlich der Abweichung minimiert werden, die durch eine Differenz zwischen einem vorgegebenen Wert einer Jacobi Matrix Komponenten öf/öu und einem durch das neuronale Netz vorhergesagten Wert der Jacobi Matrix Komponenten öf/öu definiert ist. Das Training umfasst insbesondere ein Anpassen der Gewichte der Neuronen des neuronalen Netzes. In the method, an error with regard to the generalized forces f n i predicted by the neural network is then preferably further minimized by using the error function and the weights of the neurons of the neural network are adjusted accordingly (step S3). In addition, an error in deviation defined by a difference between a predetermined value of Jacobian matrix components δf/δu and a value of Jacobian matrix components δf/δu predicted by the neural network can be minimized. In particular, the training includes adjusting the weights of the neurons of the neural network.
Zusätzlich kann in dem Verfahren ein Backpropagation-Algorithmus verwendet werden, mit dem eine Abweichung zwischen einem Ausgangsvektor des neuronalen Netzes und einem Ausgangsvektor der Trainingsdaten als Fehler berechnet und durch das neuronale Netz zurück propagiert wird. Die Gewichte der Neuronen des neuronalen Netzes werden dann während des Trainings so angepasst, dass die Abweichung minimiert wird. Ein Backpropagation-Algorithmus wird vorzugsweise zum Trainieren des mit Bezug auf Figur 5 beschrieben neuronalen Netzes verwendet. In addition, a backpropagation algorithm can be used in the method, with which a deviation between an output vector of the neural network and an output vector of the training data is calculated as an error and propagated back through the neural network. The weights of the neurons of the neural network are then adjusted during training so that the deviation is minimized. A backpropagation algorithm is preferably used to train the neural network described with reference to FIG.
Falls jedoch der Ansatz der Evolution konvergierter Steifigkeiten verfolgt wird, ist die Fehlerfunktion vorzugsweise definiert als However, if the converged stiffness evolution approach is followed, the error function is preferably defined as
ERSATZBLATT (REGEL 26) Bevorzugt wird in dem Verfahren ein Sobolev-Training verwendet. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Sobolev training is preferably used in the method.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Generieren von Trainingsdaten zum T rainieren eines neuronalen Netzes zur Verwendung in einem wie mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen System. FIG. 3 shows a flowchart for a method for generating training data for training a neural network for use in a system as described with reference to FIG.
In dem Verfahren wird ein einzelnes finites Element bereitgestellt (Schritt T1), dem wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung, die ein Einwirken einer äußeren Kraft repräsentiert, zugewiesen ist. In the method, a single finite element is provided (step T1) to which at least one material property and/or at least one boundary condition representing an action of an external force is assigned.
Mit einem finite Elemente-Gleichungslöser wird bestimmt (Schritt T2), wie sich das einzelne finite Element aufgrund der zugewiesenen wenigstens einen Materialeigenschaft unter Einwirken einer äußeren Kraft verformt. A finite element solver is used to determine (step T2) how the individual finite element deforms due to the assigned at least one material property under the action of an external force.
Die Eingangsvektoren in einem Trainingsdatensatz für das neuronale Netz können beispielweise Verschiebungskomponenten oder Spannungstensor-Komponenten enthalten. The input vectors in a training data set for the neural network can contain, for example, displacement components or stress tensor components.
Resultierende Kräfte oder Steifigkeitskomponenten bilden den zum jeweiligen Eingangsvektor zughörigen Ausgangsvektor. Resulting forces or stiffness components form the output vector associated with the respective input vector.
Das Erzeugen der Trainingsdaten mittels eines einzelnen finiten Elements wird mit Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren durchgeführt. Auf diese Weise erhält man zu jeder dieser Kombinationen lokale Steifigkeitsmatrizen des finiten Elementes. Diese Trainingsdaten werden mit klassischer FEM und dem Newton-Raphson- Gleichungslöser gewonnen. The generation of the training data using a single finite element is performed with combinations of generalized force and displacement vectors. In this way, local stiffness matrices of the finite element are obtained for each of these combinations. This training data is obtained with classical FEM and the Newton-Raphson equation solver.
Anschließend werden Trainingsdaten ausgegeben (Schritt T3), die Eingangsvektoren mit beispielweise Verschiebungskomponenten oder Dehnungstensor-Komponenten und einen Ausgangsvektor enthalten, der ein mechanisches Verhalten des einzelnen finiten Elements unter Einwirken der äußeren Kraft repräsentiert. Training data are then output (step T3), which contain input vectors with, for example, displacement components or strain tensor components and an output vector that represents a mechanical behavior of the individual finite element under the influence of the external force.
Figur 4 zeigt ein schematisch dargestelltes neuronales Netz 400 mit Feed-forward Topologie, das ausgebildet ist, Verschiebungen u auf Kräfte f abzubilden. FIG. 4 shows a schematically illustrated neural network 400 with feed-forward topology, which is designed to map displacements u to forces f.
Das neuronale Netz 400 kann beispielweise zum Bestimmen der Steifigkeitskomponenten nach dem ersten Ansatz des numerischen Differenzierens oder dem zweiten Ansatz des automatischen Differenzierens trainiert sein. For example, the neural network 400 may be trained to determine the stiffness components according to the first approach of numerical differentiation or the second approach of automatic differentiation.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Das neuronale Netz 400 repräsentiert bzw. ersetzt die KräftegleichgewichtsgleichungSUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The neural network 400 represents or replaces the force balance equation
F = KX mit dem Kraftvektor F und dem Verschiebungsvektor X, definiert als F = KX with the force vector F and the displacement vector X defined as
Das neuronale Netz 400 bildet die Verschiebungskomponenten un s 406 auf die Kraftkomponenten fn s 408 ab. The neural network 400 maps the displacement components u n s 406 to the force components f n s 408 .
Der Verschiebungsvektor X wird als Eingangsvektor auf die Eingangsschicht 402 gegeben und in Feed-forward Richtung auf die Ausgangsschicht 404 abgebildet, deren Ausgangsvektor den Kraftvektor F repräsentiert. The displacement vector X is applied to the input layer 402 as an input vector and is mapped in the feed-forward direction to the output layer 404, whose output vector represents the force vector F.
Das neuronale Netz lässt sich durch beschreiben, mit s = i - m wobei i die Anzahl der Freiheitsgrade eines Elementknotens und m die Anzahl der Knoten eines Elements repräsentiert. X ist der Eingangsvektor, dessen Komponenten an die Neuronen der Eingangsschicht des neuronalen Netzes übergeben werden, F ist der von dem neuronalen Netz aufgrund des gewichteten Aufsummierens und der Aktivierungsfunktion in den Neuronen aus dem Eingangsvektor gebildete Ausgangsvektor. Das neuronale Netz 400 ist so trainiert, dass es die Kraft-Verschiebungs-Beziehung für ein finites Element approximiert. The neural network lets itself through describe, with s = i - m where i represents the number of degrees of freedom of an element node and m the number of nodes of an element. X is the input vector whose components are passed to the neurons of the input layer of the neural network, F is the output vector formed by the neural network from the input vector due to the weighted summation and the activation function in the neurons. The neural network 400 is trained to approximate the force-displacement relationship for a finite element.
Das neuronale Netz 400 umfasst eine Anzahl von Zwischenschichten 410, 412, wobei die erste Zwischenschicht 410 mit L und die letzte Zwischenschicht 412 mit L‘ bezeichnet ist. Es können weitere Zwischenschichten zwischen der ersten und der letzten Zwischenschicht vorgesehenen sein. Solche weiteren Zwischenschichten sind aber optional. Die Anzahl der vorhandenen Zwischenschichten ist mit k bezeichnet, so dass k > 2 gilt. The neural network 400 comprises a number of intermediate layers 410, 412, the first intermediate layer 410 being denoted by L and the last intermediate layer 412 being denoted by L'. Further intermediate layers can be provided between the first and the last intermediate layer. However, such further intermediate layers are optional. The number of existing intermediate layers is denoted by k, so that k>2 applies.
Das neuronale Netz 400 ist weiterhin anhand von Aktivierungsfunktionen A'j und deren Ableitungen A 'j mit Bezug auf die gewichtete Summe definiert. The neural network 400 is further defined in terms of activation functions A'j and their derivatives A'j with respect to the weighted sum.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines schematisch dargestellten neuronalen Netzes 500 mit Feed-forward Topologie zum Ermitteln von Jacobi-Matrix Komponenten, das unter Verwendung eines Backpropagation-Algorithmus trainiert wird. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) FIG. 5 shows a section of a neural network 500 shown schematically with feed-forward topology for determining Jacobi matrix components, which is trained using a backpropagation algorithm.
Das ausschnittsweise dargestellte neuronalen Netz 500 umfasst eine Eingangsschicht 502 mit einem Eingangs-Neuron 503 und eine Ausgangsschicht 504 mit einem Ausgangs-Neuron 505. Zwischen Eingangsschicht 502 und Ausgangsschicht 505 umfasst das neuronale Netz 500 Zwischenschichten 506, 508 mit jeweils zwei Neuronen. The neural network 500 shown in detail comprises an input layer 502 with an input neuron 503 and an output layer 504 with an output neuron 505. Between the input layer 502 and the output layer 505, the neural network 500 comprises intermediate layers 506, 508, each with two neurons.
Die gewichtete Summe des i-ten Neurons in der l-ten Schicht wird mit z'u bezeichnet und repräsentiert das Argument der Aktivierungsfunktion a'u desselben Neurons. Die Anzahl der Neuronen in der vorhergehenden Schicht wird mit j bezeichnet. The weighted sum of the i-th neuron in the l-th layer is denoted z'u and represents the argument of the activation function a'u of the same neuron. The number of neurons in the previous layer is denoted by j.
Die Fehlerfunktion für das Training des neuronalen Netzes, dessen Eingangsvektor X generalisierte Verschiebungen u repräsentiert und dessen Ausgangsvektor F generalisierte Kräfte f repräsentiert berücksichtigt die Ableitungen 5f/5u, die strukturellen Steifigkeiten repräsentieren und die durch numerisches oder automatisches Differenzieren gewonnen werden (erster und zweiter Ansatz). The error function for the training of the neural network, whose input vector X represents generalized displacements u and whose output vector F represents generalized forces f, takes into account the derivatives 5f/5u, which represent structural rigidities and which are obtained by numerical or automatic differentiation (first and second approach) .
Zur Erläuterung des dritten Ansatzes zeigt Figur 6 ein schematisch dargestelltes neuronales Netz 600 mit Feed-forward Topologie, das durch seine Topologie und sein Training dazu ausgebildet ist, normierte Zustandsvariablen, wie z.B. Dehnung oder Spannung, auf normierte Steifigkeitskomponenten öf/öu abzubilden. Das neuronale Netz kann im trainierten Zustand zum Bestimmen der Steifigkeitskomponenten nach dem dritten Ansatz, der Evolution konvergierter Steifigkeiten, verwendet werden. To explain the third approach, FIG. 6 shows a schematically represented neural network 600 with feed-forward topology, which is designed by its topology and its training to map normalized state variables, such as strain or stress, to normalized stiffness components öf/öu. In the trained state, the neural network can be used to determine the stiffness components according to the third approach, the evolution of converged stiffnesses.
Für das Training gemäß dem dritten Ansatz (Evolution konvergierter Steifigkeiten) werden dem neuronalen Netz nicht Eingangsvektoren X zugeführt, die generalisierte Verschiebungen repräsentieren, sondern Eingangsvektoren , deren Komponenten die normierten Komponenten des Dehnungstensors oder des Spannungstensors des finiten Elements repräsentieren. For training according to the third approach (evolution of converged stiffnesses), the neural network is not supplied with input vectors X that represent generalized displacements, but input vectors whose components represent the normalized components of the strain tensor or the stress tensor of the finite element.
Das neuronale Netz 600 lässt sich wie folgt beschreiben: wobei fnn eine Vektorfunktion, k die Anzahl der Zwischenschichten 606, 608 und L die Anzahl der Neuronen in den jeweiligen Zwischenschichten 606, 608 repräsentiert. A) repräsentiert die Aktivierungsfunktion eines jeweiligen Neurons. K ist der Ausgangsvektor The neural network 600 can be described as follows: where fnn represents a vector function, k represents the number of intermediate layers 606, 608 and L represents the number of neurons in the respective intermediate layers 606, 608. A) represents the activation function of a respective neuron. K is the output vector
ERSATZBLATT (REGEL 26) (Voigt-Notation), der normierte strukturelle Steifigkeitskomponenten eines finiten Elements repräsentiert und ist der Eingangsvektor, dessen Komponenten die normierten Komponenten des Dehnungstensors oder des Spannungstensors des finiten Elements repräsentieren. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) (Voigt notation) representing normalized structural stiffness components of a finite element and is the input vector whose components represent the normalized components of the finite element strain tensor or stress tensor.
Das neuronale Netz 600 weist eine Eingangsschicht 602 und eine Ausgangsschicht 604 auf. Auf die Eingangs-Neuronen 603 der Eingangsschicht 602 kann ein Eingangsvektor gegeben werden, dessen Komponenten die normierten Komponenten des Dehnungstensors des n-ten finiten Elements repräsentieren. In Voigt-Notation kann die Eingangsmatrix für die Eingangsschicht als The neural network 600 has an input layer 602 and an output layer 604 . An input vector can be given to the input neurons 603 of the input layer 602, the components of which represent the normalized components of the strain tensor of the nth finite element. In Voigt notation, the input matrix for the input layer can be written as
<= [E?I^2 E^3«2] (23) dargestellt werden. <= [ E ?I^ 2 E ^3« 2 ] (23).
Alternativ können auf die Eingangs-Neuronen 603 auch die Komponenten eines Eingangsvektors gegeben werden, dessen Komponenten die normierten Komponenten des Spannungstensors des n-ten finiten Elements repräsentieren. Alternatively, the components of an input vector can also be sent to the input neurons 603, the components of which represent the normalized components of the stress tensor of the nth finite element.
Die Ausgangsschicht 604 umfasst Ausgangs-Neuronen 605, deren Ausgabewerte die Komponenten eines Ausgangvektors K bilden, die normierte strukturelle Steifigkeitskom- ponenten des n-ten finiten Elements repräsentieren. The output layer 604 comprises output neurons 605 whose output values form the components of an output vector K which represent normalized structural stiffness components of the nth finite element.
Die normierten Zustandsvariablen und die normierten strukturellen Steifigkeiten können in physikalische Größen überführt werden, in dem die Gleichung The normalized state variables and the normalized structural stiffnesses can be converted into physical quantities by using the equation
> x~xmin norm > x ~ x min norm
■'■max Amin nach x gelöst wird. ■'■max A min is solved for x.
Zwischen der Eingangsschicht 602 und der Ausgangsschicht 604 umfasst das neuronale Netz 600 mehrere Zwischenschichten (engl. hidden layers) 606, 608. Between the input layer 602 and the output layer 604, the neural network 600 comprises a plurality of intermediate layers (hidden layers) 606, 608.
Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Aktualisieren der Steifigkeitskom- ponenten einer globalen Steifigkeitsmatrix. FIG. 7 shows a flow chart for a method for updating the stiffness components of a global stiffness matrix.
Zunächst werden die Strukturinformationen, d.h., die Geometrie des Bauteils und dessen Materialeigenschaften sowie die von außen wirkenden Kräfte bereitgestellt (Schritt t1). First, the structural information, i.e. the geometry of the component and its material properties as well as the external forces are provided (step t1).
ERSATZBLATT (REGEL 26) Auf Basis der Strukturinformationen wird die globale Steifigkeitsmatrix K für das Bauteil aufgestellt (Schritt t2). Durch einen FE-Gleichungslöserwerden diejenigen finiten Elemente ermittelt, die zu einem Bereich des Bauteils gehören, der sich unter Einwirkung der äußeren Kräfte verformt. Das Bauteil wird in sich verformende Bereiche und in sich nicht oder nur unwesentlich verformende Bereiche unterteilt. Hier kann ein Maß definiert werden, das angibt wann ein Element dem sich verformenden Bereich zuzurechnen ist, und wann nicht.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The global stiffness matrix K for the component is set up on the basis of the structural information (step t2). An FE equation solver is used to determine those finite elements that belong to an area of the component that deforms under the influence of external forces. The component is divided into areas that deform and areas that do not deform or only insignificantly deform. A measure can be defined here that indicates when an element is included in the deforming area and when not.
Die Steifigkeitskomponenten derjenigen finiten Elemente, die zu einem sich verformenden Bereich des Bauteils gehören, werden in einem jeweiligen Inkrement mit einem trainierten neuronalen Netz bestimmt (Schritt t3). Es werden nur die Steifigkeitskomponenten derjenigen finiten Elemente, die zu einem sich verformenden Bereich des Bauteils gehören, bestimmt, weil sich hier die Geometrie des Bauteils und entsprechend die Besetzung der Steifigkeitsmatrix mit Steifigkeitskomponenten ändert. In denjenigen Bereichen, in denen keine Verformung und somit keine Änderung der Geometrie des Bauteils stattfindet, brauchen die Steifigkeitskomponenten nicht erneut bestimmt werden. The stiffness components of those finite elements that belong to a deforming region of the component are determined in a respective increment with a trained neural network (step t3). Only the stiffness components of those finite elements that belong to a deforming area of the component are determined, because here the geometry of the component changes and accordingly the occupation of the stiffness matrix with stiffness components. In those areas where there is no deformation and therefore no change in the geometry of the component, the stiffness components do not need to be determined again.
Zum Bestimmen der Steifigkeitskomponenten der finiten Elemente mittels eines neuronalen Netzes können je nachdem, wie das neuronale Netz trainiert wurde, unterschiedliche Ansätze verfolgt werden. Different approaches can be taken to determine the stiffness components of the finite elements using a neural network, depending on how the neural network was trained.
Wenn das neuronale Netz nach dem ersten oder dem zweiten Ansatz trainiert wurde, kann ein wie mit Bezug auf Figur 4 beschriebenes neuronales Netz verwendet werden und wenn das neuronale Netz nach dem dritten Ansatz trainiert wurde, kann ein wie mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenes neuronales Netz verwendet werden. If the neural network has been trained according to the first or the second approach, a neural network as described with reference to FIG. 4 can be used and if the neural network has been trained according to the third approach, a neural network as described with reference to FIG network are used.
Auf den ersten Ansatz, dem numerischen Differenzieren, aufbauend, bestimmt das neuronale Netz für das i-te finite Element zunächst die Funktion wobei Au die Verschiebung des finiten Elements und £ einen Störwert des neuronalen Netzes repräsentiert (Schritt t4). Als Eingangsmatrix erhält das neuronale Netz dafür die dem i-ten Element zugeordneten Verschiebungen, wie vorstehend mit Bezug auf Figur 4 beschrieben. Based on the first approach, the numerical differentiation, the neural network first determines the function for the i-th finite element where Au represents the shift of the finite element and ε represents a disturbance value of the neural network (step t4). The neural network receives the shifts associated with the ith element as the input matrix, as described above with reference to FIG.
Anschließend berechnet das neuronale Netz die Funktion fnn(AUi) also hier ohne Störwert (Schritt t5). The neural network then calculates the function f nn (AUi), ie here without an interference value (step t5).
ERSATZBLATT (REGEL 26) Auf Basis dieser Berechnungen lassen sich die normierten Steifigke its omponenten des i- ten Elements bestimmen (Schritt t6) gemäß SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) On the basis of these calculations, the normalized stiffness components of the ith element can be determined (step t6) according to
Hierbei wird angenommen, dass die Gewichte und Bias des neuronalen Netzes in den Funktionen fnn enthalten sind. Here it is assumed that the weights and biases of the neural network are contained in the functions fnn.
Die normierten Steifigkeitskomponenten lassen sich mittels der Gleichung The normalized stiffness components can be calculated using the equation
> x~xmin norm > x ~ x min norm
■'■max Amin in physikalische Größen überführen, mit denen dann die Elementsteifigkeitsmatrix des sich verformenden finiten Elements aktualisiert werden kann (Schritt t7). ■'■max A min transferred into physical quantities, with which then the element stiffness matrix of the deforming finite element can be updated (step t7).
Mit der aktualisierten Elementsteifigkeitsmatrix Kei wird dann die globale Steifigkeitsmatrix K des Bauteils aktualisiert (Schritt t8) und die globale Verschiebungsmatrix X für ein jeweiliges Inkrement mit dem FE-Gleichungslöser berechnet (Schritt t9). Dieses Vorgehen wird für eine Anzahl Inkremente wiederholt, bis ein finaler Belastungszustand im Kräftegleichgewicht erreicht wird. In jedem Inkrement kann das trainierte neuronale Netz aufgerufen werden, um in dem entsprechenden Inkrement konvergierte Steifigkeitskomponenten für eines oder mehrere finite Elemente zu bestimmen. The global stiffness matrix K of the component is then updated with the updated element stiffness matrix K ei (step t8) and the global displacement matrix X for a respective increment is calculated with the FE equation solver (step t9). This procedure is repeated for a number of increments until a final force-balance loading state is reached. In each increment, the trained neural network can be invoked to determine stiffness components for one or more finite elements that have converged in the corresponding increment.
Das mechanische Verhalten, d.h. die inneren Belastungszustände, des Bauteils kann dann auf Basis des gelösten Gleichungssystems für das Bauteil dargestellt werden, z.B. auf einem Bildschirm visualisiert werden. The mechanical behavior, i.e. the internal stress conditions, of the component can then be displayed on the basis of the solved system of equations for the component, e.g. visualized on a screen.
Auf das Training gemäß dem zweiten Ansatz, dem automatischen Differenzieren, folgend, werden in Vorwärts-Richtung durch das trainierte neuronale Netz von der Eingangsschicht zu der Ausgangsschicht des neuronalen Netzes die internen Kräfte des Bauteils bestimmt (Schritt t1 1) und in Rückwärts-Richtung die Jacobi-Matrix-Komponenten des Materials des Bauteils bestimmt (Schritt t12). Mittels der Gleichung Following the training according to the second approach, automatic differentiation, the internal forces of the component are determined in the forward direction by the trained neural network from the input layer to the output layer of the neural network (step t1 1) and in the backward direction the Jacobian matrix components of the material of the part are determined (step t12). Using the equation
ERSATZBLATT (REGEL 26) werden die konvergierten Steifigkeiten bestimmt und mittels der Gleichung werden diese in physikalische Größen überführt. Die so bestimmten Steifigkeitskomponenten werden dazu verwendet, die Elementsteifigkeitsmatrix des sich verformenden Elements zu aktualisieren (Schritt t13). SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the converged stiffnesses are determined and by means of the equation these are converted into physical quantities. The stiffness components determined in this way are used to calculate the element stiffness matrix of the deforming element (step t13).
Wenn das neuronale Netz nach dem dritten Ansatz, der Evolution konvergierter Steifigkeiten, trainiert wurde, werden Zustandsvariablen direkt auf normierte konvergierte Steifigkeitskomponenten abgebildet (Schritt t14). Die so erhaltenen konvergierten Steifigkeitskomponenten können in Form einer Komponente der Funktion des trainierten neuronalen Netzes definiert werden, wobei fni und un m entsprechend die normierten generalisierten Kräfte (fni) und Verschiebungen (un m) repräsentieren. Die konvergierten Steifigkeiten können durch Lösen der Gleichung nach x in physikalische Größen überführt und dann in die Elementsteifigkeitsmatrix des sich verformenden Elements eingesetzt werden (Schritt t15). When the neural network has been trained according to the third approach, evolution of converged stiffnesses, state variables are directly mapped to normalized converged stiffness components (step t14). The converged stiffness components thus obtained can be in the form of a component of the function of the trained neural network are defined, where f n i and u n m respectively represent the normalized generalized forces (f n i ) and displacements (u n m ). The converged stiffnesses can be found by solving the equation transferred to x in physical quantities and then in the element stiffness matrix of the deforming member are used (step t15).
ERSATZBLATT (REGEL 26) Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren, in dem ein mechanisches Verhalten eines Bauteils dargestellt wird, wobei in dem Verfahren ein trainiertes neuronales Netz Steifigke its omponenten für wenigstens ein finites Element liefert, das einer Verformung unerzogen wird. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) FIG. 8 shows a flow chart for a method in which a mechanical behavior of a component is represented, in which method a trained neural network supplies stiffness components for at least one finite element which is subject to deformation.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren kann beispielsweise mit einem wie mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen System ausgeführt werden. The method described below can be carried out, for example, with a system as described with reference to FIG.
In dem Verfahren werden zunächst Geometriedaten bereitgestellt, die eine Geometrie eines Bauteils repräsentieren (Schritt s1). Die Geometriedaten können das Bauteil beispielsweise als CAD (engl. computer-aided desigri)-Mode\\ repräsentieren. In the method, geometry data are first provided which represent a geometry of a component (step s1). The geometry data can represent the component, for example, as CAD (computer-aided design) mode\\.
Die Geometriedaten werden an eine Eingabe-Schnittstelle übergeben und von einem FE- Präprozessor verarbeitet. Der FE-Präprozessor unterteilt das Bauteil in finite Elemente und weist den finiten Elementen Materialeigenschaften und Randbedingungen zu (Schritt s2).The geometry data is passed to an input interface and processed by an FE preprocessor. The FE preprocessor divides the component into finite elements and assigns material properties and boundary conditions to the finite elements (step s2).
Anschließend wird für das Bauteil ein Gleichungssystem aufgestellt, das das mechanische Verhalten des Bauteils beschreibt und mittels einer globalen Steifigkeitsmatrix an den Knoten wirkende Verschiebungen auf an den Knoten wirkende Kräfte abbildet (Schritt s3).A system of equations is then set up for the component, which describes the mechanical behavior of the component and uses a global stiffness matrix to map displacements acting on the nodes to forces acting on the nodes (step s3).
Die Komponenten der globalen Steifigkeitsmatrix, also die Steifigkeitskomponenten, werden von einem FE-Gleichungslöser, insbesondere durch Lösen des Gleichungssystems K*X=F mit einem Newton-Raphson-Gleichungslöser, ermittelt (Schritt s4). Zunächst werden die Steifigkeitskomponenten in einem ersten Durchlauf für ein erstes Inkrement iterativ bestimmt, so dass diese nur eine erste Näherung an die tatsächlichen Steifigkeitskomponenten des verformten Bauteils mit entsprechend der Verformung veränderter Geometrie darstellen. The components of the global stiffness matrix, ie the stiffness components, are determined by an FE equation solver, in particular by solving the system of equations K*X=F with a Newton-Raphson equation solver (step s4). First, the stiffness components are determined iteratively in a first run for a first increment, so that they represent only a first approximation to the actual stiffness components of the deformed component with geometry that has changed according to the deformation.
Anschließend werden vorzugsweise die Bereiche des Bauteils identifiziert, die sich unter Krafteinfluss über ein vorgegebenes Maß hinaus verformen (Schritt s5). Dabei wird darin ermittelt, ob ein finites Element zu einem Bereich des Bauteils gehört, in dem das Bauteil einer Verformung unterzogen wird, oder ob ein finites Element zu einem Bereich des Bauteils gehört, in dem sich das Bauteil nicht oder nur unwesentlich verformt, d.h., in dem das Bauteil seine Geometrie nicht ändert. Auf dieser Basis wird das Bauteil in unterschiedliche Bereiche unterteilt, für die das mechanische Verhalten des Bauteils auf unterschiedliche Weisen bestimmt wird. Subsequently, the areas of the component are preferably identified that deform under the influence of force beyond a predetermined amount (step s5). In doing so, it is determined whether a finite element belongs to an area of the component in which the component is subjected to deformation, or whether a finite element belongs to an area of the component in which the component is not deformed or only insignificantly deformed, i.e., in which the component does not change its geometry. On this basis, the component is divided into different areas for which the mechanical behavior of the component is determined in different ways.
Für finite Elemente in Bereichen, in denen sich das Bauteil nicht oder nur kaum verformt, bestimmt der FE-Gleichungslöser die tatsächlichen Steifigkeitskomponenten (Schritt s6). For finite elements in areas where the component does not or hardly deforms, the FE solver determines the actual stiffness components (step s6).
ERSATZBLATT (REGEL 26) Für das Bestimmen dieser Steifigkeitskomponenten von Bereichen, in denen die Geometrie des Bauteils unverändert bleibt, sind in der Regel nur wenige Iterationen nötig, so dass der rechenaufwand gering bleibt. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Only a few iterations are usually required to determine these stiffness components of areas in which the geometry of the component remains unchanged, so that the computing effort remains low.
Falls jedoch ein finites Element zu einem Bereich des Bauteils gehört, der einer Verformung unterzogen wird, wird nicht der Newton-Raphson-Gleichungslöser dazu verwendet die tatsächlichen Steifigkeitskomponenten der sich infolge der Verformung verschiebenden finiten Elemente zu bestimmen, sondern ein trainiertes neuronales Netz. Die Steifigkeitskomponenten der übrigen sich nicht oder nur kaum verschiebenden finiten Elemente werden von dem neuronalen Netz nicht erneut berechnet, sondern verbleiben unverändert als Komponenten der globalen Steifigkeitsmatrix. However, if a finite element belongs to a region of the part that undergoes deformation, the Newton-Raphson solver is not used to determine the actual stiffness components of the finite elements shifting as a result of the deformation, but a trained neural network. The stiffness components of the remaining finite elements that do not shift or only barely shift are not recalculated by the neural network, but remain unchanged as components of the global stiffness matrix.
Nur diejenigen Steifigkeitskomponenten der sich aufgrund der Verformung des Bauteils verschiebenden finiten Elemente werden in einem oder in mehreren Inkrementen erneut durch das trainierte neuronale Netz bestimmt. Dafür erhält das trainierte neuronale Netz als Eingangsvektor von dem FE-Gleichungslöser ermittelte Zustandsvariablen des vorherigen Inkrements, wie z.B. einen Dehnungstensor oder einen Spannungstensor. Only those stiffness components of the finite elements that shift due to the deformation of the component are determined again in one or more increments by the trained neural network. For this purpose, the trained neural network receives state variables of the previous increment determined by the FE equation solver as an input vector, such as a strain tensor or a stress tensor.
Das trainierte neuronale Netz liefert für ein jeweiliges Inkrement als Ausgangsvektor bereits konvergierte Steifigkeitskomponenten desjenigen oder derjenigen finiten Elemente, die in einem Bereich des Bauteils liegen, der einer Verformung unterliegt (Schritt s7). Dadurch müssen Steifigkeitskomponenten der sich verformenden finiten Elemente nicht aufwendig in mehreren Iterationen durch den Newton-Raphson-Gleichungslöser bestimmt werden. Somit kann sowohl die benötigte Rechenzeit zum Bestimmen der konvergierten Steifigkeitskomponenten als auch Arbeitsspeicherkapazitäten eingespart werden. For a respective increment, the trained neural network supplies, as an output vector, already converged stiffness components of that or those finite elements that lie in a region of the component that is subject to deformation (step s7). As a result, stiffness components of the deforming finite elements do not have to be determined in several iterations by the Newton-Raphson equation solver. Thus, both the computing time required to determine the converged stiffness components and working memory capacities can be saved.
Die Elementsteifigkeitsmatrizen der sich verformenden finiten Elemente werden anschließend mit den von dem trainierten neuronalen Netz bestimmten, bereits konvergierten Steifigkeitskomponenten aktualisiert. Da bereits konvergierte Steifigkeitskomponenten von dem trainierten neuronalen Netz ermittelt werden, sind für diesen Schritt keine weiteren Iterationen notwendig. Die konvergierten Steifigkeitskomponenten können von dem trainierten neuronalen Netz für ein jeweiliges Inkrement in nur einem Schritt ermittelt werden.The element stiffness matrices of the deforming finite elements are then updated with the already converged stiffness components determined by the trained neural network. Since stiffness components that have already converged are determined by the trained neural network, no further iterations are necessary for this step. The converged stiffness components can be determined by the trained neural network for a respective increment in just one step.
Die konvergierten Steifigkeitskomponenten derjenigen finiten Elemente, die in einem Bereich des Bauteils liegen, der sich unter der Last der einwirkenden Kraft verformt, werden in die globale Steifigkeitsmatrix eingesetzt (Schritt s8) und das neu aufgestellte komplette Gleichungssystem (Schritt s9) dann von dem FE-Gleichungslöser gelöst (Schritt s10), d.h. die die tatsächlichen Steifigkeitskomponenten werden bestimmt. Dies erfolgt für eines oder The converged stiffness components of those finite elements that lie in an area of the component that deforms under the load of the applied force are inserted into the global stiffness matrix (step s8) and the newly set up complete system of equations (step s9) is then derived from the FE Equation solver solved (step s10), i.e. the actual stiffness components are determined. This is done for one or
ERSATZBLATT (REGEL 26) für mehrere Inkremente bis der innere Belastungszustand des Bauteils im Kräftegleichgewicht gefunden wurde. Anschließend wird auf Basis des gelösten Gleichungssystems das mechanische Verhalten des Bauteils im Kräftegleichgewicht ermittelt und dieses repräsentierende Ausgabedaten bereitgestellt und auf einem Monitor visualisiert (Schritt s11).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) for several increments until the internal load state of the component in force equilibrium has been found. The mechanical behavior of the component in the equilibrium of forces is then determined on the basis of the solved system of equations and output data representing this are provided and visualized on a monitor (step s11).
Figur 9 zeigt drei Kurven, die das Steifigkeitsverh alten eines Balkens darstellen und mit dem durch die FEM vorhergesagten Steifigkeitsverh alten verglichen werden. Figure 9 shows three curves representing the stiffness behavior of a beam compared to the stiffness behavior predicted by the FEM.
Der Vergleich der Kurven zeigt den Effekt, den das Einbeziehen der Jacobi Matrix Komponenten des neuronalen Netzes in die jeweilige Fehlerfunktion im Rahmen des Sobolev- Trainings hat. The comparison of the curves shows the effect of including the Jacobian matrix components of the neural network in the respective error function in the context of the Sobolev training.
Ausgegangen wird von einem Balken mit dem Elastizitätsmodul E, der Querschnittsfläche A und der Länge L. The starting point is a beam with the modulus of elasticity E, the cross-sectional area A and the length L.
In diesem Fall kann die Elementsteifigkeitsmatrix in der Form aufgestellt werden. In this case, the element stiffness matrix can be in the form be set up.
Die erste Kurve 900 repräsentiert das Steifigkeitsverh alten des Balkens wie es von der FEM vorhergesagt wird. Diese Kurve 900 dient als Referenz. The first curve 900 represents the stiffness behavior of the beam as predicted from the FEM. This curve 900 serves as a reference.
Die Kurve 902 wurde auf Basis des Ausgangsvektors eines neuronalen Netzes erzeugt, das nach dem Ansatz der Evolution konvergierter Steifigkeiten trainiert wurde, d.h. mit der Fehlerfunktion The curve 902 was generated on the basis of the output vector of a neural network trained according to the converged stiffness evolution approach, ie with the error function
Diese Fehlerfunktion enthält die Jacobi Matrix Komponenten des neuronalen Netzes.This error function contains the Jacobian matrix components of the neural network.
Die Kurve 904 wurde auf Basis des Ausgangsvektors eines neuronalen Netzes erzeugt, das nach dem Ansatz des automatischen Differenzierens trainiert wurde, d.h. mit der Fehlerfunktion The curve 904 was generated based on the output vector of a neural network trained according to the automatic differencing approach, ie with the error function
ERSATZBLATT (REGEL 26) Auch diese Fehlerfunktion enthält die Jacobi Matrix Komponenten des neuronalen Netzes.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The Jacobi matrix also contains this error function as components of the neural network.
Die Kurve 906 wurde auf Basis eines neuronalen Netzes erzeugt, dass nicht nach dem Sobolev-Training trainiert wurde und bei dessen Training entsprechend nicht die Jacobi Matrix Komponenten des neuronalen Netzes berücksichtigt wurden. The curve 906 was generated on the basis of a neural network that was not trained according to Sobolev training and, accordingly, the Jacobi matrix components of the neural network were not taken into account during training.
Figur 9 zeigt, dass die Kurven 902 und 904 sehr gut mit der Referenzkurve 900 übereinstimmen. Wenn jedoch kein Sobolev-Training angewendet wird, unterscheidet sich das durch das neuronale Netz vorhergesagte Steifigkeitsverh alten sehr deutlich von dem von der FEM vorhergesagten Steifigkeitsverh alten, wie es anhand der Kurve 906 deutlich erkennbar ist. FIG. 9 shows that the curves 902 and 904 match the reference curve 900 very well. However, when no Sobolev training is applied, the stiffness behavior predicted by the neural network differs very significantly from the stiffness behavior predicted by the FEM, as can be clearly seen from curve 906 .
Ein neuronales Netz, dass mittels des hier beschriebenen Sobolev-Trainings oder mittels des Ansatzes der Steifigkeits-Evolution trainiert wurde, erlaubt im Rahmen der FEM ein ressourcensparendes Aktualisieren der Steifigkeitskomponenten derjenigen finiten Elemente, die einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Bereich eines Bauteils zuzuordnen sind. Damit ermöglicht das hier beschrieben System und das hier beschriebene Verfahren eine effiziente Darstellung innerer Zustände eines Bauteils. A neural network that was trained using the Sobolev training described here or using the stiffness evolution approach allows resource-saving updating of the stiffness components of those finite elements within the framework of FEM that are assigned to a region of a component that deforms under the action of a force. The system described here and the method described here thus enable an efficient representation of the internal states of a component.
Figur 10 zeigt eine 2D-Simulation einer Plattenstruktur 1000. Durch Einwirken einer äußerem Kraft F 1002 verformt sich die Plattenstruktur 1000 von einem nicht-deformierten Zustand 1004 in einen deformierten Zustand 1006. Figure 10 shows a 2D simulation of a plate structure 1000. By the action of an external force F 1002, the plate structure 1000 deforms from a non-deformed state 1004 to a deformed state 1006.
Die Plattenstruktur 1000 folgt einer Scherverformungstheorie erster Ordnung mit neun Knoten, wobei jeder Knoten sechs Freiheitsgraden aufweist. Betrachtet man die mittlere Oberfläche, so hat jedes Element dreizehn Integrationspunkte, neun für die Normalspannungen und vier für die Schubspannungen. In der Simulation wurden die Spannungs-, Dehnungs- und Materialtangentenentwicklung über 13 x 5 = 65 Integrationspunkte erfasst. Dadurch war es möglich effizient genügend Trainingsdaten für das Training des neuronalen Netzes zu erzeugen, und innerhalb eines Elements die lokalisierte Evolution der Nichtlinearität in der gesamten Tiefe durch die extrahierten Trainingssequenzen zu verfolgen. Schließlich wurde ein LSTM trainiert und eingesetzt, um die pfadabhängige Evolution des Materialverhaltens für die Plattenstruktur 1000 zu verfolgen. The panel structure 1000 follows a first order shear strain theory with nine nodes, each node having six degrees of freedom. Looking at the mean surface, each element has thirteen integration points, nine for the normal stresses and four for the shear stresses. In the simulation, the stress, strain and material tangent development were recorded over 13 x 5 = 65 integration points. This made it possible to efficiently generate enough training data for training the neural network, and within an element to track the localized evolution of the nonlinearity in the full depth through the extracted training sequences. Finally, an LSTM was trained and deployed to track the path-dependent evolution of material behavior for the slab structure 1000.
Es hat sich gezeigt, dass, sobald bei der Plattenstruktur 1000 eine nichtlineare Verformung eingesetzt hat, die durch ein LSTM verstärkte FEM der klassischen FEM deutlich überlegen war, was die Konvergenzeigenschaften sowie die verbrauchten Rechenressourcen angeht. Es konnte ein erheblicher Rechengewinn erzielt werden. Dies wurde insbesondere aus den folgenden Gründe erreicht. It has been shown that once the plate structure 1000 started non-linear deformation, the LSTM-enhanced FEM was clearly superior to the classical FEM in terms of convergence properties as well as the computational resources consumed. A considerable calculation gain could be achieved. In particular, this has been achieved for the following reasons.
ERSATZBLATT (REGEL 26) - Die für das implizite Euler-Verfahren erforderlichen Iterationen zur Berechnung der äquivalenten plastischen Dehnung konnten eliminiert werden. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) - The iterations required for the implicit Euler method to calculate the equivalent plastic strain could be eliminated.
- Die Iterationen, die zur Erfüllung der Spannungsbedingung in der Ebene (cr33 = 0) erforderlich sind, konnten eliminiert werden. Durch das Aktualisieren der Steifigkeitskomponenten mittels dem LSTM kann mit der durch ein neuronales Netz verstärkten FEM auch für eine nichtlineare Verformung der Plattenstruktur 1000 zuverlässig eine Lösung gefunden werden. Zudem werden dafür vergleichsweise weniger Rechenressourcen benötigt. Dies liegt daran, dass der Rechenaufwand für den Vorwärts- und Rückwärtsdurchlauf bei 2D-Problemen durch die vollständige Annähe- rung an die elastischen Elemente vergleichsweise effizienter wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der durch ein neuronales Netz verstärkte FEM-Ansatz umso effizienter wird, je komplexer das Problem ist und je mehr Gaußpunkte erforderlich sind. Dies trifft insbesondere auf den elastisch-plastischen Bereich eines Bauteils zu, in dem die herkömmliche FEM regelmäßig an ihre Grenzen stößt und aufgrund fehlender Konvergenz erst gar keine Lösungen liefert. - The iterations required to satisfy the in-plane stress condition (cr33 = 0) could be eliminated. By updating the stiffness components using the LSTM, a solution can also be reliably found for a non-linear deformation of the plate structure 1000 with the neural network-enhanced FEM. In addition, comparatively fewer computing resources are required for this. This is because the computational effort for the forward and backward traversal in 2D problems becomes comparatively more efficient by fully approximating the elastic elements. In summary, the more complex the problem and the more Gauss points required, the more efficient the neural network-enhanced FEM approach becomes. This applies in particular to the elastic-plastic area of a component, in which conventional FEM regularly reaches its limits and, due to a lack of convergence, does not even provide any solutions.
ERSATZBLATT (REGEL 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)

Claims

48 48
Ansprüche System (100) zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104), wobei das System (100) die folgenden Komponenten aufweist: eine Eingabe-Schnittstelle, die ausgebildet ist, Geometriedaten zu empfangen, die das Bauteil (102) repräsentieren, einen finite Elemente-Präprozessor (114), der ausgebildet ist, das Bauteil (102) in finite Elemente zu unterteilen, und wenigsten einem Element wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung zuzuweisen, einen finite Elemente-Gleichungslöser (116), der ausgebildet ist, eine globale Steifigkeitsmatrix für das Bauteil (102) aufzustellen, die angibt, wie sich die Elemente des Bauteils (102) aufgrund der zugewiesenen Materialeigenschaft und/oder Randbedingung verformen, und in dem Bauteil (102) solche Bereiche zu identifizieren, in denen sich das Bauteil (102) verformt und andere Bereiche zu identifizieren, in denen eine Geometrie des Bauteils (102) trotz Einwirken äußerer Kräfte (104) im Wesentlichen unverändert bleibt, und einen finite Elemente-Postprozessor (120), der ausgebildet ist, den inneren Belastungszustand des mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104) darzustellen, wobei das System (100) weiterhin wenigstens ein trainiertes neuronales Netz (118) umfasst, und das trainierte neuronale Netz (118) trainiert ist, Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix von wenigstens einem finiten Element des Bauteils (102) zu bestimmen, und zwar vorzugsweise für ein finites Element, das sich in demjenigen Bereich des Bauteils (102) befindet, in dem sich das Bauteil (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104) verformt und somit seine Geometrie ändert, und der finite Elemente-Gleichungslöser (116) weiterhin ausgebildet ist, die von dem trainierten neuronalen Netz (118) für das verformte Element bestimmte Elementsteifigkeitsmatrix zum Aktualisieren der globalen Steifigkeitsmatrix zu 49 verwenden und den inneren Belastungszustand des mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104) auf Basis der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix zu bestimmen. Claims System (100) for determining internal stress states of a mechanical component (102) when external forces (104) act, the system (100) having the following components: an input interface which is designed to receive geometric data that the component (102), a finite element preprocessor (114) which is designed to subdivide the component (102) into finite elements and to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one element, a finite element equation solver ( 116), which is designed to set up a global stiffness matrix for the component (102), which specifies how the elements of the component (102) deform due to the assigned material property and/or boundary condition, and in the component (102) such areas identify in which the component (102) deforms and identify other areas in which a geometry of the component (102) despite On acting external forces (104) remains substantially unchanged, and a finite element post-processor (120) configured to represent the internal stress state of the mechanical component (102) when external forces (104) act, the system (100) further comprises at least one trained neural network (118), and the trained neural network (118) is trained to determine stiffness components of an element stiffness matrix of at least one finite element of the component (102), preferably for a finite element located in that region of the component (102) is located, in which the component (102) deforms when external forces (104) act and thus changes its geometry, and the finite element equation solver (116) is further configured, which is generated by the trained neural network (118 ) element stiffness matrix determined for the deformed element to update the global stiffness matrix Use 49 and determine the internal stress state of the mechanical component (102) when external forces (104) act on the basis of the updated global stiffness matrix.
2. System (100) nach Anspruch 1 , das eine Belastungs- und Messvorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, auf ein bereitgestelltes mechanisches Bauteil wenigstens eine vordefinierte äußere Kraft auszuüben, und eine daraus resultierende äußere Verformung des mechanischen Bauteils zu messen. 2. System (100) according to claim 1, which has a loading and measuring device which is designed to exert at least one predefined external force on a provided mechanical component and to measure a resulting external deformation of the mechanical component.
3. System (100) nach Anspruch 2, wobei der finite Elemente-Präprozessor ausgebildet ist, dem wenigsten einem Element wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung zuzuweisen, wobei die wenigstens eine Randbedingung die von der Messvorrichtung ausgeübte vordefinierte äußere Kraft oder die mehreren vordefinierten äußere Kräften und/oder die gemessene äußere Verformung des Bauteils umfasst. 3. System (100) according to claim 2, wherein the finite element preprocessor is designed to assign at least one material property and/or at least one boundary condition to the at least one element, the at least one boundary condition being the predefined external force or the plurality exerted by the measuring device predefined external forces and/or the measured external deformation of the component.
4. System nach wenigsten einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von Trainingsdaten für ein neuronales Netz aufweist, wobei die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung ausgebildet ist, ein einzelnes finites Element bereitzustellen und für dieses einzelne finite Element für eine Vielzahl Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren zu erzeugen. 4. System according to at least one of the preceding claims, which has a training data generation device for generating training data for a neural network, wherein the training data generation device is designed to provide a single finite element and for this single finite element for a plurality of combinations of generalized force and displacement vectors to create.
5. System nach Anspruch 4, wobei die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung ausgebildet ist für die Trainingsdaten eine solche Unterteilung zu wählen, dass das trainierte neuronales Netz zum Bestimmen von Steifigkeitskomponenten zwischen Kraft- und Verschiebungswerten interpolieren kann. 5. The system as claimed in claim 4, wherein the training data generation device is designed to select such a subdivision for the training data that the trained neural network can interpolate between force and displacement values to determine stiffness components.
6. System nach wenigsten einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Bereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen des trainierten neuronalen Netzes aufweist, wobei die Bereitstellungsvorrichtung ausgebildet ist, mittels Trainingsdaten aus einer Vielzahl Kombinationen aus generalisierten Kraft- und Verschiebungsvektoren ein neuronales Netz so zu trainieren, dass das neuronale Netz Steifigkeitskomponenten für ein finites Element Vorhersagen kann, und das trainierte neuronale Netz bereitzustellen. 6. System according to at least one of the preceding claims, which has a provision device for providing the trained neural network, wherein the provision device is designed to train a neural network using training data from a large number of combinations of generalized force and displacement vectors such that the neural network Predict stiffness components for a finite element and provide the trained neural network.
7. System nach Anspruch 6, welches ein FEM-Subsystem und ein Trainingssubsystem aufweist, die die räumlich und zeitlich unabhängig voneinander verwirklicht sein können und von denen das FEM-Subsystem den FE-Präprozessor (114), den FE- 50 7. System according to claim 6, which has a FEM subsystem and a training subsystem which can be implemented independently of one another in terms of space and time and of which the FEM subsystem includes the FE preprocessor (114), the FE 50
Gleichungslöser (116), das trainierte neuronale Netz (118) und den FE- Postprozessor (120) umfasst, während das Trainingssubsystem die Trainingsdatenerzeugungsvorrichtung (128) und der Bereitstellungsvorrichtung (130) umfasst und von dem Trainingssubsystem gebildete trainierte neuronale Netze (118) dem FEM Subsystem zur Verfügung gestellt werden können. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das das trainierte neuronale Netz (118) in einer Eingangsschicht eine Anzahl Eingangs-Neuronen umfasst, die einen Vektor von generalisierten Verschiebungen repräsentieren und in einer Ausgangsschicht eine Anzahl Ausgangs-Neuronen umfasst, die einen Vektor von generalisierten Kräfte repräsentieren, und wobei das neuronale Netz (118) trainiert ist, für das Bestimmen der Steifigkeitskomponenten die generalisierten Verschiebungen auf die generalisierten Kräfte abzubilden. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das neuronale Netz (118) trainiert ist, aus generalisierten Kräfte konvergierte normierte Steifigkeitskomponenten von wenigstens einem Element des Bauteils (102) unter Verwendung eines Störwertes zu bestimmen. System (100) nach Anspruch 1 oder 8, wobei das neuronale Netz (118) trainiert ist, für das Bestimmen der Steifigkeitskomponenten von wenigstens einem finiten Element des Modells, wenigstens eine Aktivierungsfunktion, wenigstens ein Gewicht und wenigstens einen Bias eines Neurons zu verwenden. System (100) nach Anspruch 1 , wobei das trainierte neuronale Netz (118) in einer Eingangsschicht eine Anzahl Eingangs-Neuronen umfasst, die wenigstens eine interne Zustandsvariable eines finiten Elements repräsentieren und in einer Ausgangsschicht eine Anzahl Ausgangs-Neuronen umfasst, die konvergierte normierte Steifigkeitskomponenten repräsentieren, und wobei das neuronale Netz (1 18) trainiert ist, die wenigstens eine interne Zustandsvariable auf konvergierte normierte Steifigkeitskomponenten abzubilden. System (100) nach Anspruch 9 oder 11 , das ausgebildet ist, die konvergierten normierten Steifigkeiten in physikalische Größen zu überführen und mit den in physikalische Größen überführten Steifigkeitskomponenten die Elementsteifigkeitsmatrix des Elements des Bauteils (102) in dem sich verformenden Bereich zu aktualisieren. 51 Equation solver (116), the trained neural network (118) and the FE postprocessor (120), while the training subsystem comprises the training data generation device (128) and the provision device (130) and trained neural networks (118) formed by the training subsystem the FEM Subsystem can be made available. System (100) according to at least one of the preceding claims, wherein the trained neural network (118) in an input layer comprises a number of input neurons which represent a vector of generalized displacements and in an output layer comprises a number of output neurons which comprise a represent a vector of generalized forces, and wherein the neural network (118) is trained to map the generalized displacements to the generalized forces for determining the stiffness components. The system (100) of at least one of the preceding claims, wherein the neural network (118) is trained to determine normalized stiffness components of at least one element of the component (102) converged from generalized forces using a disturbance value. The system (100) of claim 1 or 8, wherein the neural network (118) is trained to determine the stiffness components of at least one finite element of the model using at least one activation function, at least one weight and at least one bias of a neuron. System (100) according to claim 1, wherein the trained neural network (118) in an input layer comprises a number of input neurons which represent at least one internal state variable of a finite element and in an output layer comprises a number of output neurons which converged normalized stiffness components represent, and wherein the neural network (1 18) is trained to map the at least one internal state variable to converged normalized stiffness components. System (100) according to Claim 9 or 11, which is designed to convert the converged standardized stiffnesses into physical quantities and to update the element stiffness matrix of the element of the component (102) in the deforming region with the stiffness components converted into physical quantities. 51
13. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das neuronale Netz (118) trainiert ist, Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix von wenigstens einem Element des Bauteils (102) zu bestimmen, das aufgrund der dem Element zugewiesenen wenigstens einen Materialeigenschaft und/oder wenigstens einen Randbedingung während des Betriebs des Systems (100) einer Verformung unterzogen wird. 13. System (100) according to at least one of the preceding claims, wherein the neural network (118) is trained to determine stiffness components of an element stiffness matrix of at least one element of the component (102) which, on the basis of the at least one material property assigned to the element and/or at least one boundary condition is subjected to deformation during operation of the system (100).
14. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das trainierte neuronale Netz (118) eine Eingangsschicht mit einer Anzahl Eingangs-Neuronen aufweist, wobei die Anzahl der Eingangs-Neuronen einer Anzahl Freiheitsgrade eines Knotens eines finiten Elements des Modells multipliziert mit der Anzahl der Knoten des finiten Elements entspricht. The system (100) according to at least one of the preceding claims, wherein the trained neural network (118) has an input layer with a number of input neurons, the number of input neurons being multiplied by a number of degrees of freedom of a node of a finite element of the model corresponds to the number of nodes of the finite element.
15. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das trainierte neuronale Netz (118) eine Eingangsschicht mit einer Anzahl Eingangs-Neuronen umfasst, wobei wenigstens ein Eingangs-Neuron einen Geometrie-Parameter umfasst, der eine Geometrie des Bauteils (102) repräsentiert. 15. System (100) according to at least one of the preceding claims, wherein the trained neural network (118) comprises an input layer with a number of input neurons, wherein at least one input neuron comprises a geometry parameter which defines a geometry of the component (102 ) represented.
16. System (100) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das trainierte neuronale Netz (118) eine einem Neuron des trainierten neuronalen Netzes (118) zugeordnete Aktivierungsfunktion umfasst, die eine Hyperbeltangens-Aktivierungsfunktion, eine sigmoidale-Aktivierungsfunktion oder Radiale Basisfunktion ist. 16. System (100) according to at least one of the preceding claims, wherein the trained neural network (118) comprises an activation function associated with a neuron of the trained neural network (118), which is a hyperbolic tangent activation function, a sigmoidal activation function or a radial basis function.
17. Verfahren zum T rainieren eines neuronalen Netzes (118) zur Verwendung in einem System (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: 17. A method for training a neural network (118) for use in a system (100) according to any one of the preceding claims, the method comprising the steps of:
Bereitstellen eines neuronalen Netzes (S1) mit einer Eingangsschicht, die eine Anzahl Eingangs-Neuronen aufweist, und mit einer Ausgangschicht, die eine Anzahl Ausgangs-Neuronen aufweist, eine wenigstens einer Zwischenschicht, die eine Anzahl Zwischenschicht-Neuronen umfasst, wobei das neuronale Netz (118) weiterhin den Neuronen zugeordnete Gewichte umfasst,Providing a neural network (S1) with an input layer, which has a number of input neurons, and with an output layer, which has a number of output neurons, at least one intermediate layer, which comprises a number of intermediate layer neurons, the neural network ( 118) also includes weights assigned to the neurons,
Trainieren des neuronalen Netzes (S2) mit Trainingsdaten, wobei die Trainingsdaten ein mechanisches Verhalten eines einzelnen finiten Elements unter Einwirkung äußerer Kräfte (104) repräsentieren, und Anpassen der Gewichte des neuronalen Netzes (1 18) derart, dass eine durch eine Fehlerfunktion ermittelte Abweichung minimiert wird, die durch eine Differenz zwischen einem vorgegebenen Wert einer Jacobi Matrix Komponenten öf/öu und einem durch das neuronale Netz (118) vorhergesagten Wert der Jacobi Matrix Komponenten öf/öu definiert ist (S3). Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Gewichte weiterhin so angepasst werden, dass eine mit der Fehlerfunktion berechnete Abweichung hinsichtlich der von dem neuronalen Netz (118) vorhergesagten generalisierten Kräfte und vorgegebener generalisierten Kräfte minimiert wird. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, in dem ein Backpropagation-Algorithmus verwendet wird, mit dem eine Abweichung zwischen einem Ausgangsvektor des neuronalen Netzes (118) und einem Ausgangsvektor eines Trainingsdatensatzes als Fehler berechnet und durch das neuronale Netz (118) zurück propagiert wird, um Gewichte des neuronalen Netzes (118) so anzupassen, dass die Abweichung minimiert wird. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19, in dem ein Sobolev- Training verwendet wird. Verfahren zum Generieren von Trainingsdaten zum Trainieren eines neuronalen Netzes (1 18) zur Verwendung in einem System (100) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Training the neural network (S2) with training data, the training data representing a mechanical behavior of an individual finite element under the influence of external forces (104), and Adjusting the weights of the neural network (1 18) such that a deviation determined by an error function is minimized by a difference between a predetermined value of a Jacobian matrix components öf/öu and a value of the Jacobian predicted by the neural network (118). Matrix components öf/öu is defined (S3). The method of claim 17, wherein the weights are further adjusted to minimize a deviation calculated with the error function with respect to the generalized forces predicted by the neural network (118) and predetermined generalized forces. Method according to Claim 17 or 18, in which a backpropagation algorithm is used, with which a deviation between an output vector of the neural network (118) and an output vector of a training data set is calculated as an error and propagated back through the neural network (118) in order to Adjust weights of the neural network (118) so that the deviation is minimized. Method according to at least one of Claims 17 to 19, in which Sobolev training is used. Method for generating training data for training a neural network (1-18) for use in a system (100) according to at least one of claims 1 to 16, the method comprising the steps of:
Bereitstellen eines einzelnen finiten Elements (T1), dem wenigstens eine Materialeigenschaft und/oder wenigstens eine Randbedingung, die ein Einwirken einer äußeren Kraft repräsentiert, zugewiesen ist, Providing a single finite element (T1) to which at least one material property and/or at least one boundary condition representing the action of an external force is assigned,
Bestimmen mit einem finite Elemente-Gleichungslöser (116), wie sich das einzelne finite Element aufgrund der zugewiesenen wenigstens einen Materialeigenschaft unter Einwirken einer äußeren Kraft verformt (T2), unddetermining with a finite element solver (116) how the individual finite element deforms (T2) due to the assigned at least one material property under the action of an external force, and
Ausgeben der Trainingsdaten (T3), die ein mechanisches Verhalten des einzelnen finiten Elements unter Einwirken der äußeren Kraft repräsentieren. Verfahren zum Ermitteln innerer Belastungszustände eines mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen und Empfangen von Geometriedaten (s1), die das Bauteil (102) repräsentieren, Output of the training data (T3) representing a mechanical behavior of the individual finite element under the influence of the external force. Method for determining internal stress states of a mechanical component (102) when external forces (104) act, the method comprising the steps: Providing and receiving geometry data (s1) representing the component (102),
Unterteilen des Bauteils (102) in finite Elemente und Zuweisen von wenigstens einer Materialeigenschaft und/oder wenigstens einer Randbedingung zu wenigstens einem der Elemente (s2), Subdividing the component (102) into finite elements and assigning at least one material property and/or at least one boundary condition to at least one of the elements (s2),
Aufzustellen einer globalen Steifigkeitsmatrix für das Bauteil (102), die angibt, wie sich die Elemente des Bauteils (102) aufgrund der zugewiesenen Materialeigenschaft und/oder Randbedingung verformen (s3), Establishing a global stiffness matrix for the component (102), which indicates how the elements of the component (102) deform due to the assigned material property and/or boundary condition (s3),
Identifizieren von solchen Bereichen in dem Bauteil (102), in denen sich das Bauteil (102) verformt (s5), Identifying such areas in the component (102) in which the component (102) deforms (s5),
Bestimmen von Steifigkeitskomponenten einer Elementsteifigkeitsmatrix von wenigstens einem finiten Element des Bauteils (102) mit einem trainierten neuronalen Netz (s7), und zwar vorzugsweise für ein finites Element, das sich in demjenigen Bereich des Bauteils (102) befindet, in dem sich das Bauteil (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104) verformt und somit seine Geometrie ändert, Determining stiffness components of an element stiffness matrix of at least one finite element of the component (102) with a trained neural network (s7), preferably for a finite element that is located in that area of the component (102) in which the component ( 102) deformed under the influence of external forces (104) and thus changes its geometry,
Aktualisieren der globalen Steifigkeitsmatrix mit der von dem trainierten neuronalen Netz (118) für das verformte Element bestimmten Elementsteifigkeitsmatrix (s8), und updating the global stiffness matrix with the element stiffness matrix (s8) determined by the trained neural network (118) for the deformed element, and
Ermitteln des inneren Belastungszustands des mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (104) auf Basis der aktualisierten globalen Steifigkeitsmatrix (s10), und optional, Darstellen des inneren Belastungszustands des mechanischen Bauteils (102) beim Einwirken äußerer Kräfte (s11). Determining the internal load state of the mechanical component (102) when external forces (104) act on the basis of the updated global stiffness matrix (s10), and optionally, displaying the internal load state of the mechanical component (102) when external forces act (s11).
23. Verfahren nach Anspruch 22, das ein Bereitstellen eines mechanischen Bauteils, ein Ausüben wenigstens einer vordefinierten äußeren Kraft auf das Bauteil, und ein Messen einer infolge der ausgeübten vordefinierten äußeren Kraft auftretenden äußeren Verformung des mechanischen Bauteils, wobei 54 die ausgeübte vordefinierte äußere Kraft oder mehreren vordefinierten äußeren Kräften und/oder die gemessene Verformung als Randbedingung wenigstens einem der Elemente zugewiesen werden. 23. The method according to claim 22, which comprises providing a mechanical component, exerting at least one predefined external force on the component, and measuring an external deformation of the mechanical component occurring as a result of the predefined external force exerted, wherein 54 the exerted predefined external force or several predefined external forces and/or the measured deformation can be assigned as a boundary condition to at least one of the elements.
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