Оценка точности и сходимости задачи топологической оптимизации с применением нейронных сетей при различных стратегиях формирования топологии

Автор: Ю. С. Селиванов, К. А. Матвеев

Журнал: Космические аппараты и технологии.

Рубрика: Инновации космической отрасли

Статья в выпуске: 2, 2026 года.

Бесплатный доступ

Методы топологической оптимизации становятся частью проектирования конструкций летательных аппаратов. Помимо развития классических методов топологической оптимизации свое место нашли нейронные сети. Применений нейронной сети к задаче топологической оптимизации много. В данной работе используется нейронная сеть прямого распространения, применение которой заключается в репараметризации переменных проектирования параметрами нейронной сети – весами и смещениями. Решалась задача консольного изгиба пластины, которая находится в плоском напряженном состоянии и нагружена вертикальной сосредоточенной силой в середине правой грани. Проведено два типа исследования. Первый тип – использование нейронной сети напрямую, где входными величинами являются координаты геометрических центров конечных элементов, второй тип – преобразование входных величин из пространства координат в пространство коэффициентов разложения Фурье. Для каждого типа исследования были решены задачи с применением различных техник фильтрации и проекции и способа избежать схождения в локальный минимум в ходе решения задачи, а также с разными функциями интерполяции материала. В ходе проведения исследования решена 1371 задача. Результатами работы являются значение целевой функции и относительное значение результирующего объема. В ходе исследования выяснено, что не все классические техники улучшения и предотвращения схождения в локальный минимум для задачи топологической оптимизации приводят к адекватным результатам. Наибольшее количество приемлемых результатов дает функция интерполяции «рациональная аппроксимация материала».

Топологическая оптимизация, нейронная сеть, SIMP, BESO

Короткий адрес: https://sciup.org/14138845

IDR: 14138845   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.26732/j.st.2026.2.08

Evaluation of the accuracy and convergence of a topological optimization problem using neural networks under various topology generation strategies

Topological optimization methods are becoming an integral part of aircraft structural design. In addition to the development of classical topological optimization methods, neural networks have also found their place in this field. There are many applications of neural networks to topological optimization problems. This work employs a feedforward neural network, which is used to reparameterize design variables using neural network parameters – weights and biases. The problem addressed was the cantilever bending of a plate under a plane stress state and subjected to a vertical concentrated force at the center of its right edge. Two types of studies were conducted. The first type involves the direct use of a neural network, where the input values are the coordinates of the geometric centers of the finite elements; the second type involves transforming the input values from coordinate space into the space of Fourier expansion coefficients. For each type of study, problems were solved using various filtering and projection techniques and methods to avoid convergence to a local minimum during the solution process, as well as with different material interpolation functions. A total of 1,371 problems were solved during the study. The results of the study are the value of the objective function and the relative value of the resulting volume. The study revealed that not all classical techniques for improving and preventing convergence to a local minimum for the topological optimization problem lead to adequate results. The «rational material approximation» interpolation function yields the greatest number of acceptable results.

Список литературы Оценка точности и сходимости задачи топологической оптимизации с применением нейронных сетей при различных стратегиях формирования топологии

  • Бендсе М. П., Зигмунд О. Оптимизация топологии: теория, методы и приложения. Берлин: Springer, 2003. 370 с.
  • Ли С., Ким Х., Лиу Ц. С., Ли Дж. Распознавание изображений на основе CNN для топологической оптимизации. Knowledge-Based Systems. 2020. 198. 105887.
  • Ким Ч., Ли Дж., Ю Дж. Оптимизация топологии с использованием методов машинного обучения для проектирования функциональных градиентных композитных конструкций // Компьютерные методы в прикладной механике и инженерии. 2021. 387. 114158.
  • Аулиг Н., Ольхофер М. Топологическая оптимизация путем прогнозирования чувствительности на основе локальных характеристик состояния // В сборнике материалов 5-й Европейской конференции по вычислительной механике (ECCM V). 2021. С. 3578–3589.
  • Такахаси Ю., Сузуки Ю., Тодороки А. Оптимизация топологии на основе сверточной нейронной сети (CNN-TO) путем оценки чувствительности упругости по распределению материала. Препринт arXiv:2001.00635. 2019.
  • Абуэйдда Д. В., Корик С., Собх Н. А. Топологическая оптимизация двумерных конструкций с нелинейностями с использованием глубокого обучения // Computers & Structures. 2020. 237.
  • Шарп К., Сиперсад К. К. Проектирование топологии с помощью условных генеративно-состязательных сетей // В сборнике материалов Международной конференции по инженерному проектированию и конференции «Компьютеры и информация в инженерии». 2019. Т. 59186, С. V02AT03A062.
  • Рават С., Шен М. Х. Новый подход к проектированию топологии с использованием интегрированной архитектуры сети глубокого обучения. Препринт arXiv: arXiv:1808.02334. 2018.
  • Рават С., Шен М. Х. Применение состязательных сетей для оптимизации топологии 3D-конструкций // Технический доклад SAE (№ 2019–01–0829). SAE International. 2019. doi: 10.4271/2019–01–0829.
  • Сосновник И., Оселедец И. Нейронные сети для топологической оптимизации // Русский журнал численного анализа. 2019. Т. 34. № 4. С. 215–223.
  • Лин Ц., Хун Ц., Лю Ц., Ли Б., Ван Ц. Исследование оптимизации топологии для теплопередачи по проводящему пути на основе методов глубокого обучения // International Communications in Heat and Mass Transfer. 97. 103–109.
  • Банга С., Гехани Х., Бхиларе С., Патель С., Кара Л. 3D-оптимизация топологии с использованием сверточных нейронных сетей. Препринт arXiv:1808.07440. 2018.
  • Нэпир Н., Шрираман С. А., Тран Х. Т., Джеймс К. А. Использование искусственной нейронной сети для генерации конструкций высокого разрешения на основе исходных данных низкого разрешения при топологической оптимизации // Journal of Mechanical Design. 2020. 142 (1). 011402.
  • Ван Ц., Яо С., Ван Ц., Ху Ц. Глубокая нейронная сеть с суперразрешением для оптимизации структурной топологии // Engineering Optimization. 2021. 53 (12). 2108–2121.
  • Сюэ Л., Лю Ц., Вэнь Г., Ван Х. Эффективный метод топологической оптимизации с высоким разрешением на основе сверточных нейронных сетей // Frontiers of Mechanical Engineering. 2021. 16 (1). 80–96.
  • Чу С., Сяо М., Гао Л., Гуй Л., Ли, Х. Эффективный метод обработки структурных границ на основе метода опорных векторов для дискретной топологической оптимизации // В сборнике материалов 20-й Международной конференции по компьютерной поддержке совместной работы в проектировании (CSCWD). 2016. С. 10–15.
  • Чандрасекар А., Суреш К. TOuNN: Топологическая оптимизация с использованием нейронных сетей // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2021. 63. 1135–1149.
  • Зендер Дж., Ли Ю., Корош С., Томашевски Б. NTopo: Оптимизация топологии без использования сетки с применением неявных нейронных представлений // Advances in Neural Information Processing Systems. 2021. 34. 10368–10381.
  • Сигмунд О., Мауте К. Методы топологической оптимизации // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2013. 48(6). 1031–1055.
  • Справочник по теории ANSYS, версия 2021 R 2. SAS IP, Inc. 2021.
  • Бендсое М. П., Сигмунд О. Схемы интерполяции материалов в топологической оптимизации // Arch. Appl. Mech. 1999. 69. 635–654.
  • Чжан Х., Сяо Х. Ж. Топологическая оптимизация континуальных конструкций на основе метода SIMP // Advanced Materials Research. 2011.
  • Столпе М., Сванберг К. Альтернативная схема интерполяции для оптимизации топологии с минимальным упругим деформированием // Struct. Multidiscip. Optim. 2001. 22. 116–124.
  • Меске Р., Заутер Дж., Шнак Э. Непараметрическая оптимизация формы без градиентов для реальных задач // Structural Multidisciplinary Optimization. 2005. Т. 30. С. 201–218.
  • Беннетт Дж. А., Боткин М. Э. Оптимизация формы конструкций с использованием геометрического описания и адаптивной генерации сетки // AIAA Journal. 1985. Т. 23. С. 458–464.
  • Бурдин Б. Фильтры в топологической оптимизации // Международный журнал по численным методам в инженерии. 2001. 50 (9), 2143–2158.
  • Сигмунд О. Черно-белые фильтры на основе морфологии для топологической оптимизации // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2007. 33 (4–5). 401–424.
  • Сюй С., Цай Ю., Чэн Г. Нелинейный фильтр плотности с сохранением объема на основе функций Хевисайда // Struct Multidisc Optim 2010. 41. 495–505.
  • Ван Ф., Лазаров Б. С., Сигмунд О. О методах проекции, сходимости и робастных формулировках в топологической оптимизации // Struct Multidisc Optim. 2011. 43. 767–784.
  • Лазаров Б. С., Ван Ф., Сигмунд О. Масштаб длины и технологичность в топологической оптимизации на основе плотности // Архив прикладной механики. 2016. 86 (1–2). 189–218.
  • Чжоу М., Лазаров Б. С., Ван Ф., Сигмунд О. Минимальный масштаб длины в топологической оптимизации с учетом геометрических ограничений // Компьютерные методы в прикладной механике и инженерии. 2015. 293. 266–282.
  • Гест Дж. К. Установление максимального масштаба длины при топологической оптимизации // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2009. 37 (5). 463–473.
  • Фернандес Э., Ян К. К., Коппен С., Аларкон П., Бодуэн С., Дюсинкс П. Установление минимального и максимального размеров элементов, минимального размера полости и минимального расстояния между сплошными элементами при топологической оптимизации // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2020. 368. 113157.
  • Уайт Д. А., Стоуэлл М. Л., Торторелли Д. А. Топологическая оптимизация конструкций с использованием представлений Фурье // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2018. 58 (3). 1205–1220.
  • Рохас-Лабанда С., Столпе М. Автоматическое продолжение штрафного критерия при структурной топологической оптимизации // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2015. Т. 52. № 6. С. 1205–1221.
  • Круглов В. В., Борисов В. В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия – Телеком, 2001. 382 с.
  • Кингма Д. П., Адам Дж. Ба. Метод стохастической оптимизации // В сборнике материалов конференции ICLR, 2015.
  • Носедал Дж., Райт С. Численная оптимизация, 2-е изд. Springer. Нью-Йорк, 2006.
  • Селиванов Ю. С., Матвеев К. А., Романенко Е. И. Решение задачи топологической оптимизации с применением нейронных сетей // Научно-технический вестник Поволжья. 2025. № 7. С. 82–85.
  • Селиванов Ю. С., Матвеев К. А. О применении нейронных сетей к задаче топологической оптимизации // Актуальные проблемы механики: сб. аннот. 51 шк.-конф. памяти Д. А. Индейцева, Великий Новгород, 19–21 июня 2024 г., С. 218–219.
  • Селиванов Ю. С., Матвеев К. А. Топологическая оптимизация пластины с применением нейронных сетей // Космические аппараты и технологии. 2024. Т. 8. № 4. С. 243–253.
  • Хуан С., Се Ю. М. Конвергентные и независимые от сетки решения для метода двунаправленной эволюционной структурной оптимизации // Finite Elem. Anal. Des. 2007. 43. 1039–1049.
  • Чандрасекар А., Суреш К. Управление масштабом длины при топологической оптимизации с использованием нейронных сетей с усилением Фурье. Препринт arXiv:2109.01861. 2021.
Еще