Bracket¶
# linux
wget -nc https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/bracket/bracket_dataset.tar
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/bracket/bracket_dataset.tar -o bracket_dataset.tar
# unzip it
tar -xvf bracket_dataset.tar
python bracket.py mode=eval EVAL.pretrained_model_path=https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/models/bracket/bracket_pretrained.pdparams
预训练模型 | 指标 |
---|---|
bracket_pretrained.pdparams | loss(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 32.28704 MSE.u(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.00005 MSE.v(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.00000 MSE.w(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.00734 MSE.sigma_xx(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 27.64751 MSE.sigma_yy(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 1.23101 MSE.sigma_zz(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.89106 MSE.sigma_xy(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.84370 MSE.sigma_xz(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 1.42126 MSE.sigma_yz(commercial_ref_u_v_w_sigmas): 0.24510 |
1. 背景简介¶
线弹性方程在形变分析中起着核心的作用。在物理和工程领域,形变分析是研究物体在外力作用下的形状和尺寸变化的方法。线弹性方程是描述物体在受力后恢复原状的能力的数学模型。具体来说,线弹性方程通常是指应力和应变之间的关系。应力是一个物理量,用于描述物体内部由于外力而产生的单位面积上的力。应变则描述了物体的形状和尺寸的变化。线弹性方程通常可以表示为应力和应变之间的线性关系,即应力和应变是成比例的。这种关系可以用一个线性方程来表示,其中系数被称为弹性模量(或杨氏模量)。这种模型假设物体在受力后能够完全恢复原状,即没有永久变形。这种假设在许多情况下是合理的,例如在研究金属的力学行为时。然而,对于某些材料(如塑料或橡胶),这种假设可能不准确,因为它们在受力后可能会产生永久变形。线弹性方程只是形变分析中的一部分。要全面理解形变,还需要考虑其他因素,例如物体的初始形状和尺寸、外力的历史、材料的其他物理性质(如热膨胀系数和密度)等。然而,线弹性方程提供了一个基本的框架,用于描述和理解物体在受力后的行为。
本案例主要研究如下金属连接件在给定载荷下的形变情况,并使用深度学习方法根据线弹性等方程进行求解,连接件如下所示(参考 Matlab deflection-analysis-of-a-bracket)。
2. 问题定义¶
上述连接件包括一个垂直于 x 轴的背板和与之连接的垂直于 z 轴的带孔平板。其中背板处于固定状态,带孔平板的最右侧表面(红色区域)受到 z 轴负方向,单位面积大小为 \(4 \times 10^4 Pa\) 的应力;除此之外,其他参数包括弹性模量 \(E=10^{11} Pa\),泊松比 \(\nu=0.3\)。通过设置特征长度 \(L=1m\),特征位移 \(U=0.0001m\),无量纲剪切模量 \(0.01\mu\),目标求解该金属件表面每个点的 \(u\)、\(v\)、\(w\)、\(\sigma_{xx}\)、\(\sigma_{yy}\)、\(\sigma_{zz}\)、\(\sigma_{xy}\)、\(\sigma_{xz}\)、\(\sigma_{yz}\) 共 9 个物理量。常量定义代码如下:
3. 问题求解¶
接下来开始讲解如何将问题一步一步地转化为 PaddleScience 代码,用深度学习的方法求解该问题。 为了快速理解 PaddleScience,接下来仅对模型构建、方程构建、计算域构建等关键步骤进行阐述,而其余细节请参考 API文档。
3.1 模型构建¶
在 bracket 问题中,每一个已知的坐标点 \((x, y, z)\) 都有对应的待求解的未知量:三个方向的应变 \((u, v, w)\) 和应力 \((\sigma_{xx}, \sigma_{yy}, \sigma_{zz}, \sigma_{xy}, \sigma_{xz}, \sigma_{yz})\)。
这里考虑到两组物理量对应着不同的方程,因此使用两个模型来分别预测这两组物理量:
上式中 \(f\) 即为应变模型 disp_net
,\(g\) 为应力模型 stress_net
,用 PaddleScience 代码表示如下:
为了在计算时,准确快速地访问具体变量的值,在这里指定应变模型的输入变量名是 ("x", "y", "z")
,输出变量名是 ("u", "v", "w")
,这些命名与后续代码保持一致(应力模型同理)。
接着通过指定 MLP 的层数、神经元个数,就实例化出了一个拥有 6 层隐藏神经元,每层神经元数为 512 的神经网络模型 disp_net
,使用 silu
作为激活函数,并使用 WeightNorm
权重归一化(应力模型 stress_net
同理)。
3.2 方程构建¶
Bracket 案例涉及到以下线弹性方程,使用 PaddleScience 内置的 LinearElasticity
即可。
$$ \begin{cases} stress_disp_{xx} = \lambda(\dfrac{\partial u}{\partial x} + \dfrac{\partial v}{\partial y} + \dfrac{\partial w}{\partial z}) + 2\mu \dfrac{\partial u}{\partial x} - \sigma_{xx} \ stress_disp_{yy} = \lambda(\dfrac{\partial u}{\partial x} + \dfrac{\partial v}{\partial y} + \dfrac{\partial w}{\partial z}) + 2\mu \dfrac{\partial v}{\partial y} - \sigma_{yy} \ stress_disp_{zz} = \lambda(\dfrac{\partial u}{\partial x} + \dfrac{\partial v}{\partial y} + \dfrac{\partial w}{\partial z}) + 2\mu \dfrac{\partial w}{\partial z} - \sigma_{zz} \ stress_disp_{xy} = \mu(\dfrac{\partial u}{\partial y} + \dfrac{\partial v}{\partial x}) - \sigma_{xy} \ stress_disp_{xz} = \mu(\dfrac{\partial u}{\partial z} + \dfrac{\partial w}{\partial x}) - \sigma_{xz} \ stress_disp_{yz} = \mu(\dfrac{\partial v}{\partial z} + \dfrac{\partial w}{\partial y}) - \sigma_{yz} \ equilibrium_{x} = \rho \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2} - (\dfrac{\partial \sigma_{xx}}{\partial x} + \dfrac{\partial \sigma_{xy}}{\partial y} + \dfrac{\partial \sigma_{xz}}{\partial z}) \ equilibrium_{y} = \rho \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2} - (\dfrac{\partial \sigma_{xy}}{\partial x} + \dfrac{\partial \sigma_{yy}}{\partial y} + \dfrac{\partial \sigma_{yz}}{\partial z}) \ equilibrium_{z} = \rho \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2} - (\dfrac{\partial \sigma_{xz}}{\partial x} + \dfrac{\partial \sigma_{yz}}{\partial y} + \dfrac{\partial \sigma_{zz}}{\partial z}) \ \end{cases}
对应的方程实例化代码如下:
3.3 计算域构建¶
本问题的几何区域由 stl 文件指定,按照下方命令,下载并解压到 bracket/
文件夹下。
注:数据集中的 stl 文件和测试集数据均来自 Bracket - NVIDIA Modulus。
# linux
wget -nc https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/bracket/bracket_dataset.tar
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/bracket/bracket_dataset.tar -o bracket_dataset.tar
# unzip it
tar -xvf bracket_dataset.tar
解压完毕之后,bracket/stl
文件夹下即存放了计算域构建所需的 stl 几何文件。
注意
使用 Mesh
类之前,必须先按照1.4.2 额外依赖安装[可选]文档,安装好 open3d、pysdf、PyMesh 3 个几何依赖包。
然后通过 PaddleScience 内置的 STL 几何类 Mesh
来读取、解析这些几何文件,并且通过布尔运算,组合出各个计算域,代码如下:
3.4 约束构建¶
本案例共涉及到 5 个约束,在具体约束构建之前,可以先构建数据读取配置,以便后续构建多个约束时复用该配置。
3.4.1 内部点约束¶
以作用在背板内部点的 InteriorConstraint
为例,代码如下:
InteriorConstraint
的第一个参数是方程(组)表达式,用于描述如何计算约束目标,此处填入在 3.2 方程构建 章节中实例化好的 equation["LinearElasticity"].equations
;
第二个参数是约束变量的目标值,在本问题中希望与 LinearElasticity 方程相关的 9 个值 equilibrium_x
, equilibrium_y
, equilibrium_z
, stress_disp_xx
, stress_disp_yy
, stress_disp_zz
, stress_disp_xy
, stress_disp_xz
, stress_disp_yz
均被优化至 0;
第三个参数是约束方程作用的计算域,此处填入在 3.3 计算域构建 章节实例化好的 geom["geo"]
即可;
第四个参数是在计算域上的采样配置,此处设置 batch_size
为 2048
。
第五个参数是损失函数,此处选用常用的 MSE 函数,且 reduction
设置为 "sum"
,即会将参与计算的所有数据点产生的损失项求和;
第六个参数是几何点筛选,由于这个约束只施加在背板区域,因此需要对 geo 上采样出的点进行筛选,此处传入一个 lambda 筛选函数即可,其接受点集构成的张量 x, y, z
,返回布尔值张亮,表示每个点是否符合筛选条件,不符合为 False
,符合为 True
;
第七个参数是每个点参与损失计算时的权重,此处我们使用 "sdf"
表示使用每个点到边界的最短距离(符号距离函数值)来作为权重,这种 sdf 加权的方法可以加大远离边界(难样本)点的权重,减少靠近边界的(简单样本)点的权重,有利于提升模型的精度和收敛速度。
第八个参数是约束条件的名字,需要给每一个约束条件命名,方便后续对其索引。此处命名为 "support_interior" 即可。
另一个作用在带孔平板上的约束条件则与之类似,代码如下:
3.4.2 边界约束¶
对于背板后表面,由于被固定,所以其上的点在三个方向的形变均为 0,因此有如下的边界约束条件:
对于带孔平板右侧长方形载荷面,其上的每个点只受 z 正方向的载荷,大小为 \(T\),其余方向应力为 0,有如下边界条件约束:
对于除背板后面、带孔平板右侧长方形载荷面外的表面,不受任何载荷,即三个方向的内力平衡,合力为 0,有如下边界条件约束:
在方程约束、边界约束构建完毕之后,以刚才的命名为关键字,封装到一个字典中,方便后续访问。
3.5 超参数设定¶
接下来需要在配置文件中指定训练轮数,此处按实验经验,使用 2000 轮训练轮数,每轮进行 1000 步优化。
3.6 优化器构建¶
训练过程会调用优化器来更新模型参数,此处选择较为常用的 Adam
优化器,并配合使用机器学习中常用的 ExponentialDecay 学习率调整策略。
3.7 评估器构建¶
在训练过程中通常会按一定轮数间隔,用验证集(测试集)评估当前模型的训练情况,而验证集的数据来自外部 txt 文件,因此首先使用 ppsci.utils.reader
模块从 txt 文件中读取验证点集:
然后将其转换为字典并进行无量纲化和归一化,再将其包装成字典和 eval_dataloader_cfg
(验证集dataloader配置,构造方式与 train_dataloader_cfg
类似)一起传递给 ppsci.validate.SupervisedValidator
构造评估器。
3.8 可视化器构建¶
在模型评估时,如果评估结果是可以可视化的数据,可以选择合适的可视化器来对输出结果进行可视化。
本文中的输入数据是评估器构建中准备好的输入字典 input_dict
,输出数据是对应的 9 个预测的物理量,因此只需要将评估的输出数据保存成 vtu格式 文件,最后用可视化软件打开查看即可。代码如下:
3.9 模型训练、评估与可视化¶
完成上述设置之后,只需要将上述实例化的对象按顺序传递给 ppsci.solver.Solver
,然后启动训练、评估、可视化。
4. 完整代码¶
bracket.py | |
---|---|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 |
|
5. 结果展示¶
下面展示了在测试点集上,3 个方向的挠度 \(u, v, w\) 以及 6 个应力 \(\sigma_{xx}, \sigma_{yy}, \sigma_{zz}, \sigma_{xy}, \sigma_{xz}, \sigma_{yz}\) 的模型预测结果、传统算法求解结果以及两者的差值。
可以看到模型预测的结果与 传统算法求解结果基本一致。