结构优化设计TOSCA软件

TOSCA Structure是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，目前已被广泛应用于汽车、航空、机械制造、加工工业等众多领域，并被奥迪、宝马等世界知名公司所采用，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。

TOSCA Structure 是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化。在优化过程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，保证了优化结果的高质量。 这样做的另一大优点是用户可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作，而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。通过 TOSCA Structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。

TOSCA Strcuture 结构优化系统各个主要模块

TOSCAStructure软件由Topology，Shape，Bead，Smooth，Gui等几个主要的模块组成，以下将分别介绍上述模块的功能与特点。

1、TOSCA Strucutre.topology －拓扑优化模块

新产品开发过程中的第一步工作是定义概念阶段结构的设计准则。该设计原则是指确定基于载荷、位移边界条件以及可选设计空间内的一个设计解。该设计解在满足设计要求如强度、刚度或频率约束等基础上是重量最轻或者成本最优的。TOSCA Structure.topology 能够在给定的可设计空间中，根据指定的所有加载和边界条件计算出一个最佳的设计方案，该方案即可作为一个设计初始样机，为后期详细设计打下基础。TOSCA Structure.topology模块的功能特点：

 刚度不变前提下的体积最小化；

 体积不变前提下的刚度最大化；

 频率满足设计要求的前提下体积最小化；

 体积不变前提下的第一频率最大化；

 具有处理多工况、多目标、多约束问题的能力；

 满足工艺加工要求；

 网格自适应优化技术；

 材料分布等势面的VRML, STL 或 FE表面网格划分输出；

 优化结果可以在TOSCA Structure.smooth中进行进一步处理；

图2 Audi 公司汽车联接臂的拓扑优化设计

TOSCA Structure.shape －形状优化模块

概念设计阶段的下一阶段是设计的改进过程。在应力分析基础上，对结构的表面几何形状进行修正和改进，直到达到要求的应力水平为止。该过程过去通常采用试算方法手工进行。但是TOSCA Strucutre.shape模块可以自动完成该改进过程。 现存的需要改进的设计或者前面拓扑优化过程的结果的表面形状会在有限元分析结果的基础上进行不断的改进，直到达到要求的优化目标。

TOSCA Strucutre.shape模块的功能特点：

 减小应力集中；

 改善结构耐久性；

 提高自然频率；

 满足工艺加工要求；

图3 连杆形状优化设计

TOSCA Structure.bead －加强筋优化模块

TOSCA Structure.bead 采用德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会 （IPEK） 开发的算法库对金属板结构进行加强筋优化以提高其刚度和自然频率或者降低噪音和振动。TOSCA Structure.bead模块的功能特点：

 提高结构刚度或自然频率；

 减振降噪；

 精确确定条纹的高度和宽度；

 计算结果清晰明确，能被精确制造；

图4 油底壳加强筋优化

TOSCA Strucutre.smooth －平滑模块

在虚拟产品开发过程中，需要将优化结果返回到CAD系统中以完成该过程的闭环。TOSCA Strucutre.smooth可以将优化结果输出到目前大多数的CAD开发系统中去。该模块可以从拓扑优化计算结果中得到材料分布的等势面，然后对该等势面进行平滑处理，最终得到的光滑优化表面，并可以以几种不同的数据格式输出。 TOSCA Strucutre.shape形状优化结果也可以以相同的格式被转化为CAD数据模型。TOSCA Strucutre.smooth模块的功能特点：

 拓扑优化结果的材料分布等势面计算；

 外形平滑化并简化CAD输出结果数据；

 输出为CAD系统的匹配文件格式；

 输出为快速3D可视化的VRML文件格式；

 输出为用作网格重新划分和分析的Patran neutral；

 Tosca.shape形状优化结果输出及数据简化；

图5 拓扑优化平滑结果与快速加工制造产品

TOSCA Structure.gui －统一界面

TOSCA Structure.gui 是最优化设计中用来定义任务、开始运行以及后处理的直观用户图形界面。TOSCA Structure.gui具有下面的特点：

 独立的Java控件平台；

 从有限元模型中输入节点和单元体系；

 生成Tosca所需的新的或者改进后的优化参数文件；

 树形结构保证了Tosca各种功能的快速工作流程和清晰显示；

 定义标准优化任务的框架技术；

 具有Tosca各个模块间的任务数据传递功能；

 向不同的后处理器输出结果；

图6 TOSCA.GUI 统一界面

作为一个完善的具有世界领先水平的结构优化系统，TOSCA Structure软件的具有如下特点：

 高效处理超大模型的优化能力；

 基于较优标准的快速、稳健优化算法；

 优化过程对载荷和约束条件没有数量限制；

 采用用户图形界面TOSCA Structure.gui对优化过程进行定义、 运行和后处理；

 支持ABAQUS, ANSYS, MSC.Nastran，MSC,Fatigue,和PERMAS等商品化有限元求解器；

 支持ABAQUS/Viewer, ANSYS, FEMAP, MEDINA, MSC.Patran等前后处理器；

 被优化区域内支持实体、膜、板、壳等单元，非优化区域支持求解器所支持的所有单元类型；

 支持材料非线性、几何大变形和接触非线性优化分析；

 可以通过后处理输入CAD文件格式，其中包括stl格式和igs格式等。从而实现新产品开发在CAD/CAE 系统中从概念到成品的闭环优化设计过程；

 网格自适应功能，提高求解效率；

 可以定义加工工艺约束，包括拔模、铸造、冲压、对称等约束等；

 在形状优化中无需定义形状基础向量；

 支持频率响应和热固耦合场的拓扑优化；

 可以对优化区域边界的外部及附近区域进行接触定义；

 支持并行计算求解；

 支持Unix和NT等多操作系统