Blog berichten Volupe

Bemonstering voor Experimentontwerp in Design Manager

Een Experimenteel Ontwerp (DOE) wordt gewoonlijk gebruikt om de variatie van de inputparameters en de respons te onderzoeken. De variatie kan gerandomiseerd zijn, maar is vaak efficiënter met systematische bemonstering. DOE's worden bijvoorbeeld vaak gebruikt voor lokale verkenning rond een bepaald geoptimaliseerd ontwerp om de parameters te identificeren die de grootste invloed hebben op de prestaties. U kunt ook de gevoeligheden van de invoerparameters en hun interactie met elkaar beoordelen.

De ontwerpmanager in Simcenter STAR-CCM+ komt met de DOE-studietype waarmee u verschillende statistische methoden kunt gebruiken om bijna willekeurige steekproeven te genereren. De DOE is beschikbaar met de Intelligent Design Exploration add-on. Maar kunt u DOE instellen als u geen toegang hebt tot de extra licentie-optie?

In het volgende zullen we de opties bespreken voor het instellen van een willekeurig bemonsterd Handboek Studie en vergelijk dit met een DOE-studie. Om de prestaties te kwantificeren, vergelijken wij kruisvalidatie van Surrogaatmodellen die op de steekproeven werden gecreëerd.

Surrogaat methoden zijn geïntroduceerd naar Simcenter STAR-CCM+. Ze kunnen gemakkelijk worden aangemaakt bij elke ontwerpstudie als bijproduct. Met discrete gegevensmonsters kunt u de aanpassingsfunctie trainen. De kwaliteit van de response surface fit hangt sterk af van de onderliggende informatie. Wat u wilt is een gelijkmatig verdeelde set ontwerpmonsters om uw ontwerpruimte in kaart te brengen, maar met een zo klein mogelijk aantal monsters om middelen te besparen. Met andere woorden, wat u nodig hebt is een DOE (Design Of Experiments).

Steekproefsgewijze handmatige studie met Excel

In Design Manager, dat zonder extra licentie bij Simcenter STAR-CCM+ wordt geleverd, kunnen we Parameter Sweeps en Manual Studies instellen. Hier richten we ons op Handmatige studies, omdat een Handmatige studie u in staat stelt het proces van het uitvoeren van een verzameling specifieke ontwerpen te automatiseren. U kunt een reeks ontwerpen definiëren met behulp van getabelleerde gegevens, waarbij elk ontwerp een bepaalde combinatie is van invoerparameterwaarden die u buiten Simcenter STAR-CCM+ voorbereidt voordat u met de analyse begint.

Aangezien u hoogstwaarschijnlijk toegang hebt tot Microsoft Excel, is dit de gratis lunch in onze vergelijking. Excel biedt ingebouwde methoden voor gerandomiseerde steekproeven. De eenvoudigste daarvan is de functie RAND(). De RAND functie creëert een willekeurig getal tussen 0 en 1. Als een waarde van uw parameter, genormaliseerd met de boven- en ondergrens. Draai de normalisatie om en je krijgt de absolute parameterwaarde.

De tweede optie voor steekproefmethoden in Excel is de Analysis ToolPak add-on. De Analysis ToolPak is een additonale set van opties voor bepaalde statistische functies in Excel. Eenmaal geactiveerd (Bestand > Opties > Invoegtoepassingen) Gegevensanalyse knop verschijnt in Gegevens tab:

De input voor deze bemonsteringsmethode zijn specifieke gegevens waarin u geïnteresseerd bent (oorspronkelijke populatie). Bijvoorbeeld, een resolutie van uw zoekruimte door op te lopen van min naar max met. De steekproefmethode selecteert willekeurig uit de oorspronkelijke populatie.

Met beide methoden kunt u willekeurig gegevens creëren voor meerdere parameters en deze combineren om ontwerpvarianten in uw ontwerpruimte te beschrijven. Exporteer de nieuw aangemaakte gegevens naar een door komma's gescheiden CSV-bestand. In sommige gevallen verbieden systeeminstellingen komma scheiding en worden CSV-bestanden nog steeds gegenereerd met puntkomma's. Controleer uw CSV-bestand in een teksteditor, want STAR staat alleen CSV-bestanden toe die door komma's zijn gescheiden.

Importeer het CSV-bestand naar uw Manual Design Study nadat u de invoerparameters hebt geselecteerd. De kolomnamen moeten identiek zijn aan uw parameternamen. Nu heeft u een Handmatige studie gemaakt met gerandomiseerde parameters.

DOE Studie met Intelligent Ontwerp Verkenning

Als u beschikt over de Intelligent Design Exploration add-on kunt u alle gegevens genereren in de Design Manager. 3 Bemonsteringsmethoden zijn beschikbaar:

  • 2 Level Full Factorial
  • 3 Level Full Factorial
  • Latijnse kubusbemonstering

Terwijl de eerste factorial methoden zeer nuttig zijn om alle inputparameters en hun combinaties te evalueren om het effect van de parameters te beoordelen, genereert Latin Hypercube Sampling (LHS) steekproeven met parameterwaarden van een multidimensionale verdeling. En bestrijkt daardoor gelijkmatig de ontwerpruimte.

Een DOE-studie op basis van Latin Hypercube Sampling (LHS) evalueert een gespecificeerd aantal ontwerpen m. De invoerparameters worden op dezelfde manier gedefinieerd als voor een Sweep-studie: constant, discreet of continu. Voor een continue parameter wordt het bereik van de parameterwaarden begrensd door onder- en bovengrenzen. De resolutie van de parameter is gelijk aan m. Wanneer de analyse begint, combineert het LHS-algoritme de invoerparameters met elkaar in een op een manier die de minimale afstand tussen de gegenereerde ontwerppunten maximaliseert. Dit bevordert een gelijkmatige verdeling van de ontwerppunten over de ontwerpruimte.

Simcenter STAR-CCM+ Ondervraging Surrogaten: Betrouwbaarheid van een industrieel afzuigsysteem

Surrogaatbeoordeling

Om de verschillende surrogaatmodellen te testen, maken wij gebruik van de Simcenter STAR-CCM+ Tutorial Surrogaten: Betrouwbaarheid van een industrieel uitlaatsysteem. Dit is een multi-objectieve testcase met 7 invoerparameters. We genereren 1 DOE-studie en twee handmatige studies voor de in Excel gegenereerde steekproeven:

In alle gevallen gebruiken we dezelfde invoerparameters en hetzelfde aantal ontwerpen (90). In de onderstaande figuur geven wij een voorbeeld van de bemonstering op twee invoerparameters (Bodemhoek pad [81,0, 87,0] deg en Deflector hoek [93,6, 100,4] deg).

Bij de Excel-steekproefmethode wordt elk variabelenbereik verdeeld in 100 steekproeven waaruit de steekproeven de waarden willekeurig kiezen. Het is duidelijk dat we verschillende clusters met vergelijkbare parameterwaarden voor de RAND-methode. Maar zelfs als we clustering kunnen vermijden met de tweede methode, krijgen we nog steeds enkele witte vlekken in de ontwerpruimte. Om na te gaan of deze clusters een invloed hebben op de kwaliteit van de gegenereerde surrogaatmodellen, beoordelen wij de Cross V-residuen.

Wanneer ingenieurs een surrogaatmodel maken, worden er verschillende beoordelingscriteria gebruikt om de geschiktheid van het surrogaatmodel te evalueren. Een van de beoordelingsparameters is de restwaarde Cross V, vooral nuttig wanneer RBF- of Kriging-methoden worden gebruikt om het surrogaatmodel te maken. Kruisvalidatie test de voorspellende nauwkeurigheid door enkele bekende ontwerpen terzijde te leggen en het surrogaat dan te testen op de gegevens buiten de steekproef.

Voor elk verwijderd ontwerp gebruikt Design Manager het gereduceerde surrogaat om de respons bij het verwijderde ontwerp te schatten en dat te vergelijken met de werkelijke responswaarde. Het verschil is de kruisvalidatie-residu, die kan worden gebruikt om surrogaatvoorspellingen te vergelijken en de nauwkeurigheid van het surrogaat te meten. In ons geval is de Cross V van het surrogaat voor de Velocity_Uniformity het laagst voor bemonstering met LHS. Excel RAND functie toont de hoogste residuen die goed correleert met de waargenomen clustering.

Laatste woorden of: Hoe goed is de gratis lunch?

Wij presenteren een alternatieve, licentievrije methode om willekeurige sets van steekproeven te maken in Design Manager door Excel-gegenereerde gegevens te laden in een Manual Design Study. De steekproeftrekking wordt gekwantificeerd door kruisvalidatie van een Surrogaatmodel dat met de gegevens is getraind. De resultaten tonen aan dat Latin Hypercube sampling superieur is aan beide Excel-methoden. Met de Excel Sampling kunt u uw steekproeven beter controleren dan met de RAND-functie en kunt u een ontwerpreeks maken die goed verdeeld is in de ontwerpruimte.

Het importeren van handmatig gemaakte ontwerpsets is een gratis lunch met al zijn nukken en beperkingen. Maar u kunt een gratis trail krijgen van de Intelligent Ontwerp Verkenning add-on door contact met ons op te nemen bij Volupe!

 

De Auteur

Florian Vesting, PhD
Contact: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch