從有限元仿真分析FEA到人工智能AI你知道多少？

 有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis），是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

 人工智能與有限元

 谷歌的AlphaGo與柯杰的大戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束，而DeepMind承諾的50分棋譜也已經(jīng)公布，而作為當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)“技術(shù)”，有限元方法有沒(méi)有與機(jī)器學(xué)習(xí)（人工智能）進(jìn)一步結(jié)合并碰發(fā)出絢麗的“火花”呢？？

 答案是肯定的！?。?/span>

什么是人工智能

 人工智能（ArtificialIntelligence），英文縮寫(xiě)為AI。它是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類(lèi)智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專(zhuān)家系統(tǒng)等。人工智能從誕生以來(lái)，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以設(shè)想，未來(lái)人工智能帶來(lái)的科技產(chǎn)品，將會(huì)是人類(lèi)智慧的“容器”。

 機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個(gè)分支，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是通過(guò)算法，使機(jī)器能從大量歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)規(guī)律，從而對(duì)新的樣本做智能識(shí)別或?qū)ξ磥?lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

 常見(jiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法如：

 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NeuralNetwork）

 支持向量機(jī)(SupportVectorMachines，SVM)Boosting

 決策樹(shù)（DecisionTree）

 隨機(jī)森林（RandomForest）

 貝葉斯模型（BayesianModel）等。

 早期的機(jī)器學(xué)習(xí)算法由于受到理論模型和計(jì)算資源的限制，一般只能進(jìn)行淺層學(xué)習(xí)，只在搜索排序系統(tǒng)、垃圾郵件過(guò)濾系統(tǒng)、內(nèi)容推薦系統(tǒng)等地方有所應(yīng)用。

 而之后發(fā)生的幾件事，掀起了深度學(xué)習(xí)的浪潮。一件是2006年，加拿大多倫多大學(xué)教授Hinton和他的學(xué)生Salakhutdinov在Science上發(fā)表了一篇文章，揭示了具有多個(gè)隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（即深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）優(yōu)異的學(xué)習(xí)性能，并提出可以通過(guò)“逐層初始化”技術(shù)，來(lái)降低深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的難度；

 第二件事是在2012年底，GeoffHinton的博士生AlexKrizhevsky、IlyaSutskever利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetwork，CNN）在圖片分類(lèi)的競(jìng)賽ImageNet上，擊敗了擁有眾多人才資源和計(jì)算資源的Google，拿到了第一名。

 如今機(jī)器學(xué)習(xí)已深入到包括語(yǔ)音識(shí)別，圖像識(shí)別，數(shù)據(jù)挖掘等諸多領(lǐng)域并取得了矚目的成績(jī)。

 有限元法的發(fā)展簡(jiǎn)史

 有限元方法（FEA）即有限單元法，它是一種數(shù)值分析(計(jì)算數(shù)學(xué))工具，但不是唯一的數(shù)值分析工具。在工程領(lǐng)域還有其它的數(shù)值方法，如：有限差分法、邊界元方法、有限體積法。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年有限元分析項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的高科技企業(yè)，公司代理國(guó)外多款著名有限元軟件，并提供軟件的銷(xiāo)售與培訓(xùn)業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)有限元通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式有限元整體解決方案，目前已為全國(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供有限元分析服務(wù)。如需購(gòu)買(mǎi)有限元軟件或咨詢服務(wù)請(qǐng)聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：4006046636。

 有限單元法已成為一種強(qiáng)有力的數(shù)值解法來(lái)解決工程中遇到的大量問(wèn)題，其應(yīng)用范圍從固體到流體，從靜力到動(dòng)力，從力學(xué)問(wèn)題到非力學(xué)問(wèn)題。事實(shí)上，有限單元法已經(jīng)成為在已知邊界條件和初始條件下求解偏微分方程組的一般數(shù)值方法。

 有限單元法在工程上的應(yīng)用屬于計(jì)算力學(xué)的范疇，而計(jì)算力學(xué)是根據(jù)力學(xué)中的理論，利用現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)和各種數(shù)值方法，解決力學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題的一門(mén)新興學(xué)科。它橫貫力學(xué)的各個(gè)分支，不斷擴(kuò)大各個(gè)領(lǐng)域中力學(xué)的研究和應(yīng)用范圍，同時(shí)也在逐漸發(fā)展自己的理論和方法。

 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與力學(xué)

 其實(shí)，在深度學(xué)習(xí)浪潮掀起之前，力學(xué)和工程領(lǐng)域早已開(kāi)始在計(jì)算力學(xué)研究中結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開(kāi)發(fā)出更優(yōu)的算法，一個(gè)典型的例子便是有限元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

 由于在實(shí)際工程問(wèn)題中存在大量的非線性力學(xué)現(xiàn)象，如在結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題中，需要根據(jù)需求設(shè)計(jì)并優(yōu)化構(gòu)件結(jié)構(gòu)，是一類(lèi)反問(wèn)題，這些非線性問(wèn)題難以用常規(guī)的方法求解，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恰好具有良好的非線性映射能力，因而可得到比一般方法更精確的解。

 將有限元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法有很多，比如針對(duì)復(fù)雜非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模問(wèn)題，可以將線性部分用有限元進(jìn)行建模，非線性構(gòu)件用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述（如輸入非線性部件狀態(tài)變量，輸出其恢復(fù)力），再通過(guò)邊界條件和連接條件將有限元模型部分和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分結(jié)合，得到雜交模型。

 另一種方法是首先通過(guò)有限元建立多種不同的模型，再將模態(tài)特性（即最終需要達(dá)到的設(shè)計(jì)要求）作為輸入變量，將對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入變量，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化特性，得到設(shè)計(jì)參數(shù)的修正值。

 結(jié)合MonterCarlo方法，進(jìn)行多組有限元分析，將數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，可以用來(lái)分析結(jié)構(gòu)的可靠度。

 已有研究成果

 [1]余凱，賈磊，陳雨強(qiáng)，徐偉。深度學(xué)習(xí)的昨天、今天和明天[J]。計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013，09：1799-1804。

 [2]周春桂，張希農(nóng)，胡杰，謝石林?；谟邢拊蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的雜交建模[J]。振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2012，01：43-48。

 [3]費(fèi)慶國(guó)，張令彌。基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有限元模型修正研究[J]。南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，06：748-752。

 [4]許永江，邢兵，吳進(jìn)良?；谟邢拊?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-Monte-Carlo的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法[J]。重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，02：188-190+216。

 未來(lái)的一些方向

 1、圖形顯示方面（有限元與AR&VR）

 隨著有限元計(jì)算涉及的領(lǐng)域以及計(jì)算的規(guī)模不斷增大，計(jì)算結(jié)果的高效、高質(zhì)量的前后處理也隨之成為了一個(gè)問(wèn)題。

 AR&VR在圖形化數(shù)據(jù)展示方面，將我們從顯示屏解放出來(lái)，可以以一種更加直觀的方式查看計(jì)算分析數(shù)據(jù)，未來(lái)在分析結(jié)果VR展示方面，會(huì)有較大的突破。

 國(guó)內(nèi)也有學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了相關(guān)方面的研究，比如《虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有限元前后處理功能實(shí)現(xiàn)》等論文，有限元虛擬處理技術(shù)(FEMVR)也開(kāi)始逐步進(jìn)入相關(guān)軟件領(lǐng)域，例如：新版MATLAB內(nèi)置了一些人工智能算法。

 2、有限元與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算

 計(jì)算規(guī)模增大，伴隨著計(jì)算機(jī)能力的提升，隨之而來(lái)的云計(jì)算，解脫了對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的束縛，對(duì)于可以放開(kāi)規(guī)模與數(shù)量的分析計(jì)算，有限元與大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算的碰撞，對(duì)于未來(lái)問(wèn)題的解決，將有一個(gè)質(zhì)的飛躍，量變到質(zhì)變的直觀體現(xiàn)，在有限元與大數(shù)據(jù)中會(huì)有一個(gè)絢麗的展示。

 3、有限元與人工智能

 人工智能作為全球熱的技術(shù)，與“古老”的有限元之間，相信可以在老樹(shù)上發(fā)新芽，而我們可以欣喜的看到，相關(guān)的研究也已經(jīng)開(kāi)展，期待未來(lái)對(duì)于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決，能有更好的更優(yōu)的方案。

 4、CAD數(shù)據(jù)與CAE數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接

 目前等幾何分析（IsogeometricAnalysis，IGA）的發(fā)展熱度來(lái)看，將CAD中用于表達(dá)幾何模型的NURBS基函數(shù)作為形函數(shù)，克服FEA中模型精度損失的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)CAD和CAE的無(wú)縫結(jié)合，是一個(gè)很有前途和潛力的發(fā)展方向。

 5、CAE與MBD的深度融合

 未來(lái)CAEFEM可能會(huì)與多體動(dòng)力學(xué)仿真（MBS）軟件深度整合起來(lái)。實(shí)際系統(tǒng)中某些運(yùn)動(dòng)部件的彈性無(wú)法忽略，甚至是主要?jiǎng)恿W(xué)行為的來(lái)源，所以就產(chǎn)生了柔性多體動(dòng)力學(xué)仿真這個(gè)需求，這樣只需要定義相關(guān)部件的受力和邊界條件，其余的都是內(nèi)部作用，仿真即節(jié)省工作量又較為真實(shí)可信。而且現(xiàn)在的確有很多MBS軟件里面可以把部件建成彈性體，如LMSVirtualLab，Simpack等等，但過(guò)程沒(méi)有那么傻瓜；除了簡(jiǎn)單的梁、軸等零件，復(fù)雜形狀的零件要依賴FEM軟件事先生成的數(shù)據(jù)文件。

 6、網(wǎng)格工作的智能化，傻瓜化

 將來(lái)對(duì)彈性體建?？赡芨由倒?，先把剛性多體系統(tǒng)模型建起來(lái)，然后在建模環(huán)境（前處理）中直接makebodyflexible，系統(tǒng)可以根據(jù)這個(gè)部件的形狀、材料、邊界條件等選擇合適的網(wǎng)格類(lèi)型，并把運(yùn)動(dòng)和力的作用點(diǎn)couple到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)（組）上。比如說(shuō)汽車(chē)懸掛系統(tǒng)仿真，在一個(gè)工作環(huán)境下就能把某個(gè)部件的應(yīng)力校核給做了，而不需要說(shuō)搞多體建模的人要把邊界力生成一個(gè)loadcase再發(fā)給專(zhuān)門(mén)的FEM工程師去做。

 如何追上有限元的發(fā)展

 有限元科技小編認(rèn)為，任何技術(shù)的進(jìn)步，都要在實(shí)踐中展示技術(shù)的威力，有限元的發(fā)展，會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在未來(lái)無(wú)論是應(yīng)用軟件的研究還是智能程序的開(kāi)發(fā)，都將有無(wú)限的機(jī)會(huì)與可能。

 我們應(yīng)該積極學(xué)習(xí)新技術(shù)，新方法，在應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)注有限元相關(guān)軟件的新功能。

 1、了解熱點(diǎn)、跟蹤前沿

 2、結(jié)合實(shí)際拓展應(yīng)用

 3、掌握自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)