توصيفگر ها :
فضاسازه , بهينهسازي چندهدفه , مدل جانشين , مدل يادگيري ماشين , GNN
چكيده فارسي :
در اين پژوهش رفتار فضاسازههاي متناوب موردبررسي قرار گرفته و سعي شده با كمك روشهاي نوين يادگيري ماشين، سازه با رفتار بهينه طراحي گردد. در حقيقت هدف يافتن سازهاي است كه در عين سبكي، استحكام خمشي و پيچشي بالايي داشته باشد. روش كار اينگونه است كه ابتدا، يك نمونه اجزا محدود از فضاسازه در نرمافزار آباكوس تحت بارگذاري موردنظر شبيهسازي شد و اعتبارش از طريق مقايسه با نتايج ارائه شده در مقالات تأييد شد. هر سلول واحد از اين فضاسازه، از تعدادي نقاط بنيادي و نقاط نابنيادي (شناور) تشكيل شده است. نقاط بنيادين كه هشت عدد هستند، در رئوس سلول واحد كه يك مكعب است قرار گرفتهاند و موقعيتشان هميشه ثابت است. نقاط شناور كه بين يك تا پنج عدد ميتوانند باشند، درون مكعب در هر مكاني ميتوانند حضور داشته باشند. تعيين تعداد اين نقاط شناور و موقعيت آنها درون مكعب از متغيّرهاي مسئله طراحي است. پس از مشخصشدن تعداد نقاط شناور و محل آنها، نخست بايد تصميم گرفت كه بين كدام نقاط، چه بنيادي و چه شناور، اتصال تير برقرار باشد و از سويي اندازه سطح مقطع هريك از اين اتصالات نيز تعيين شود و اين دو مورد نيز از متغيّرهاي طراحي هستند. مقطع همه تيرها از نوع استوانهاي است. پس از مشخصشدن مسئلة موردنظر و متغيّرها، با استفاده از روش نمونهبرداري ابرمكعب لاتين، تعداد مناسبي نمونه براي ايجاد مجموعهداده توليد شد و با استفاده از نرمافزار آباكوس و اسكريپت پايتون، رفتار اين نمونهها تحت بارگذاريهاي خمشي و پيچشي شبيهسازي شد و خروجي هر سازه يعني وزن سازه، استحكام خمشي، و استحكام پيچشي آن استخراج گرديد. در مرحله بعد، با استفاده از اين مجموعهداده يك مدل يادگيري ماشين توسعه داده شد كه قادر است سه خروجي موردنظر براي هر فضاسازة دلخواهي را بادقت خوبي پيشبيني نمايد. مدل يادگيري ماشيني استفاده شده از نوع شبكه عصبي گرافي است. اين نوع از شبكه عصبي مناسب مسائلي است كه متغيّرها ماهيت گراف دارند، همانند فضاسازه كه نقاط بنيادي و شناور همان گرهها هستند و اتصال مابين آنها حكم يالهاي يك گراف را دارد. اين شبكه عصبي از گرافهايي با تعداد گرهها و يالها گوناگون پشتيباني ميكند درحاليكه چنين قابليتي در انواع ديگر شبكههاي عصبيِ كلاسيك وجود ندارد؛ چراكه تعداد وروديها بسته به تعداد گرهها و يالها تغيير ميكند. درنهايت اين مدل شبكه عصبي مبتني بر گراف پيشبيني رفتار هر سازه با هر تعداد گره و يال را در كمترين زمان، ممكن ميسازد. در مرحلة بعد، با استفاده از روش بهينهسازي الگوريتم ژنتيك با مرتبسازيِ غيرِمغلوب چندهدفه و به كمك مدل يادگيري ماشين، سازهاي بهينه با وزن كم و استحكامات خمشي و پيچشي بالا به دست آمد كه عملكرد بهتر آن در مقايسه با سازه ارائه شده در مقالات پيشين مشهود است. اين شبيهسازيها و تحليلها براي فضاسازة از جنس پليمرِ PLA انجام شد كه ماده رفتاري همسانگرد دارد؛ سپس در مرحلة بعد، مجدد همه اين مطالعات و شبيهسازيها براي فضاسازة ساخته شده از ماده با رفتار همسانگرد عرضي يعني PLA تقويتشده با الياف كربن (CFRP) هم تكرار شد تا رفتار فضاسازه براي حالت مادة ناهمسانگرد هم سنجيده شود. درپايان نتايج اين دو حالت نيز با يكديگر مقايسه شد.
چكيده انگليسي :
In this study, the behavior of periodic space structures is investigated, and efforts are made to design an optimally performing structure using modern machine learning techniques. The goal is to identify a structure that, while being lightweight, also exhibits high bending and torsional strength.The methodology is as follows: first, a finite element model of the space structure was simulated in Abaqus under the desired loading conditions, and its validity was confirmed by comparison with results reported in previous studies. Each unit cell of this space structure consists of several fundamental and floating points. The eight fundamental points are located at the vertices of the unit cell - which has a cubic geometry - and their positions remain fixed. The floating points, numbering between one and five, can be located anywhere inside the cube. Determining both the number and positions of these floating points within the cube constitutes part of the design variables of the problem.After the floating points and their positions are defined, two more design decisions must be made: (1) which pairs of points - fundamental or floating - should be connected by beams, and (2) what the cross-sectional area of each beam should be. The cross-section of all beams is cylindrical. Once the problem and its variables were defined, a dataset was generated using the Latin Hypercube Sampling method. Using Abaqus and Python scripting, the behavior of each sample structure under bending and torsional loading was simulated, and three outputs were extracted for each structure: mass, bending strength, and torsional strength. Subsequently, a machine learning model was developed based on this dataset to accurately predict the three target outputs for any arbitrary space structure. The machine learning model used is a Graph Neural Network (GNN), which is particularly well-suited for problems where variables have an inherent graph-based nature such as space structures, where the fundamental and floating points act as nodes, and the beam connections represent edges. This neural network can handle graphs with varying numbers of nodes and edges, a capability not available in most other neural network architectures, since the number of inputs changes with the graph’s size and connectivity. The GNN model enables extremely fast prediction of the behavior of any structure, regardless of its configuration. In the next stage, a multi-objective genetic algorithm with non-dominated sorting was employed, using the machine learning model as a surrogate, to obtain an optimized structure with minimal weight and maximized bending and torsional strength. The resulting design demonstrated significantly improved performance compared to previously published structures. These analyses were first conducted for an isotropic space structure made of PLA (polylactic acid). The same procedures were then repeated for a transversely anisotropic space structure made of carbon-fiber-reinforced PLA, to evaluate the approach under anisotropic material conditions. Finally, the results from the two cases were compared.