Topology optimization by optimally distributing materials in a given domain requires gradient-free optimizers to solve highly complicated problems. However, with hundreds of design variables or more involved, solving such problems would require millions of Finite Element Method (FEM) calculations whose computational cost is huge and impractical. Here we report Self-directed Online Learning Optimization (SOLO) which integrates Deep Neural Network (DNN) with FEM calculations. A DNN learns and substitutes the objective as a function of design variables. A small number of training data is generated dynamically based on the DNN's prediction of the global optimum. The DNN adapts to the new training data and gives better prediction in the region of interest until convergence. Our algorithm was tested by four types of problems including compliance minimization, fluid-structure optimization, heat transfer enhancement and truss optimization. It reduced the computational time by 2 ~ 5 orders of magnitude compared with directly using heuristic methods, and outperformed all state-of-the-art algorithms tested in our experiments. This approach enables solving large multi-dimensional optimization problems.


翻译:通过在特定领域最佳分配材料优化地形学需要无梯度优化来解决非常复杂的问题。然而,由于数百个设计变量或更多涉及这些问题,解决这些问题需要数百万个计算成本巨大且不切实际的有限元素方法(FEM)计算。这里我们报告了将深神经网络(DNN)与FEM计算相结合的自导在线学习优化(SOLO)报告。DNN将目标作为设计变量的函数学习和替代。少量的培训数据根据DNN对全球最佳的预测动态生成。DNN适应新的培训数据,并在相关区域提供更好的预测,直到趋同。我们的算法经过四类问题的测试,包括尽量减少合规、优化流体结构、增强热传输和优化。它将计算时间减少2~5个数量级,而直接使用超导力方法,并超越了我们实验中测试的所有状态的算法。这个方法可以解决大型多维优化问题。

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