如何使优化物理对象设计的过程自动化？

我正在尝试优化水箱中的流量分配器，以使任何横截面上的速度和温度分布相对均匀。我可以调整许多参数以达到最大的横截面均匀性，例如进气管的数量，其位置，方向和方向。我知道我可以创建许多不同的几何形状并分别测试每个几何形状，但这非常耗时。我希望能够编写一个程序，该程序可以一次（并行）迭代地测试多个案例，并根据先前的结果自适应地选择一组新的几何来进行测试。我怎样才能最好地做到这一点？

您要做的是使用基于梯度的方法进行形状优化。从本质上讲，这意味着您需要计算目标函数对模型参数的梯度。

对于少量参数，可以使用FD，但是对于大量参数，则需要研究伴随方法。如果使用的商业代码或其他人的代码无法求解伴随方程，则FD是唯一的选择。

查看基本的基本形状优化书籍。

编辑：对于结构性有限元问题，您可以查看Choi和Kim I和II的书

如果您适当地设置几何构造零件的参数，则这是使用离散和连续参数混合进行黑盒优化的问题。

DAKOTA http://dakota.sandia.gov/和NOMAD http://www.gerad.ca/NOMAD/Project/Home.html是两个有用的软件包，可让您自动选择最佳参数选择。（DAKOTA具有更好的应用程序支持，但NOMAD可能具有更好的优化器。）

要改变几何形状，请为每个要影响几何形状的控件引入一个离散或连续的参数，并从控件集合中自动构造几何形状。请注意，在高维情况下，无导数方法相当慢，因此请保持参数数量合理地少。

使用上述软件包之一探索空间之后，您可以通过进行更精确的优化来细化分析，其中所有离散参数和所有连续参数都是固定的，而您无法获得解析的导数。但是您可能会增加用于计算解析导数的连续形状参数的数量，因为基于梯度的优化器（例如IPOPT https://projects.coin-or.org/Ipopt）可以有效地处理更大的问题。

如果您不知道如何获得导数，但依存关系是平稳的，则可以考虑使用自动微分程序，或在AMPL中编码连续问题，在这种情况下，求解器接口将负责导数。

有关形状优化的基础知识，请参见例如Haftka，RT和Grandhi，RV，结构形状优化-调查，《应用力学和工程学的计算机方法》 57（1986），第91-106页。（请信任有关建模的描述；但是不要使用他们建议的求解器，因为从那时起，优化技术已经有了很大的改进。）

至于几何参数的问题（正如Geoff指出的那样），-我可以真诚地推荐Brenda Kulfan-Universal Parametric Geometry Representation Method，飞机杂志，第45卷，第1期，2008年。

所描述的方法适用于飞机的空气动力学优化。

还有伴随空间优化，这似乎比CFD中的标准参数优化快得多。最近，它在CFD社区中，特别是在OpenFOAM中，已大大普及。目前，我们正在组织有关OpenFOAM的研讨会，并且我们收到了许多有关此方法的抽象意见。如果您有兴趣，请查看此信息，以获取其他信息，只需谷歌“ CFD中的伴随空间形状优化”。

附加信息：

如果可以使用OpenFOAM，则有一个基于Python的库可用于处理此类情况，以处理大量案例并更改其参数PyFoam。对于简单的几何体，可以将网格定义为简单的blockMesh并遍历任何所需的对象。在一个简单的情况下，这是在Python中编写一些循环的问题。这是更改“入口”边界条件速度时脚本的外观。简单的网格几何形状更改将需要多几行代码...

您将需要：

1. 优化器和
2. 一种CFD工具，具有足够的能力（灵活）来处理具体概念内甚至属于不同概念的不同设计。

以下功能对于CFD工具至关重要：

• 高计算效率（速度），以便在合理的时间范围内处理大量单独的设计。
• 数字技术的高度灵活性和易用性，以便将人工干预排除在搜索/分析过程之外。
• 程序几何处理。

因此，我可以推荐以下软件：

1. Insight工具包提供了大量可与之结合使用的优化器

2. 高级仿真库的提议

   • 高性能：

     • 该库是硬件加速的，即能够利用GPU或FPGA硬件（如果可用），这意味着与基于CPU的程序相比，可以提高10-100的速度。同样，在常规CPU上，它使用SIMD等高级功能。
     • 它基于动态编译方法，这意味着无需为了灵活性而牺牲性能。与标准编译技术相比，这可以使速度提高10倍。
     • ASL可用于群集基础架构和多GPU计算机中。

   • 高度的灵活性和友善性：

     • 无网格数值技术基于矩形网格和浸入边界方法。这些功能可实现自动设计优化，因为不需要生成网格。
     • 该库基于动态编译方法，这意味着无需为了灵活性而牺牲性能。这允许针对不同的设计/概念制定单一的通用高效算法。

   • 几何图元的生成和处理。