Numerical solutions of partial differential equations (PDEs) require expensive simulations, limiting their application in design optimization, model-based control, and large-scale inverse problems. Surrogate modeling techniques seek to decrease the computational expense while retaining dominant solution features and behavior. Traditional Convolutional Neural Network-based frameworks for surrogate modeling require lossy pixelization and data-preprocessing, and generally are not effective in realistic engineering applications. We propose alternative deep-learning based surrogate models for discretization-independent, continuous representations of PDE solutions, which can be used for learning and prediction over domains with complex, variable geometry and mesh topology. Three methods are proposed and compared; design-variable-coded multi-layer perceptron (DV-MLP), design-variable hypernetworks (DV-Hnet), and non-linear independent dual system (NIDS). Each method utilizes a main network which consumes pointwise spatial information to provide a continuous representation, allowing predictions at any location in the domain. Input features include a minimum-distance function evaluation to implicitly encode the problem geometry. The geometric design variables, which define and distinguish problem instances, are used differently by each method, appearing as additional main-network input features (DV-MLP), or as hypernetwork inputs (DV-Hnet and NIDS). The methods are applied to predict solutions around complex, parametrically-defined geometries on non-parametrically-defined meshes with model predictions obtained many orders of magnitude faster than the full order models. Test cases include a vehicle-aerodynamics problem with complex geometry and limited training data, with a design-variable hypernetwork performing best, with a competitive time-to-best-model despite a much greater parameter count.


翻译:部分差异方程式(PDEs)的数值解决方案需要昂贵的模拟,限制了其在设计优化、基于模型的控制和大规模反向问题的应用。 代理模型技术力求降低计算成本,同时保留主要解决方案特点和行为。 传统的演进神经网络替代模型框架要求损失像素化和数据处理,通常在现实工程应用中不起作用。 我们提议了基于替代深学习的代谢模型,用于离散、独立、连续的PDE解决方案表达,可用于在复杂、可变的几何测量和间距表层学领域进行学习和预测。 提出并比较了三种方法; 设计可变码多功能的多功能模型(DV-MLP),设计可变超系统(DV-Hnet),以及非线性独立的双元系统(NIDSDS)。 每种方法都使用一个主要模型,即点定义空间信息的连续显示,允许在任何域获得预测。 输入功能包括最低应用功能(P- 应用的D) 用于隐含性内置的直径的直径直径直径直径, 直径直径直路路路路路路路路基数据, 数据模型是用来解释的计算方法, 以不同的测测测测测算。

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