優秀的結構優化設計軟件Tosca

caefinder

一、前言
為了適應愈加殘酷的市場競爭環境以及工業產品技術發展的要求，產品的開發周期變得越來越短，而其復雜程度卻越來越高。在這種情況下，借助結構優化軟件工具能夠起到縮短開發周期、節約開發成本和提高產品質量的作用，從而達到全面提升企業競爭力目的。Tosca系統是德國Fe-design公司開發的目前在國際上處于領先地位結構優化設計軟件系統，目前已被廣泛應用于汽車、航空、機械制造、加工工業等眾多領域，并被奧迪、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進行產品虛擬開發的軟件工具。
Tosca是標準的無參結構優化系統，可以對具有任意載荷情況的有限元模型進行拓撲和外形優化。在優化過程中，可以直接使用已經存在的有限元模型。Tosca進行結構優化的每一迭代過程均在外部求解器中進行求解，通過采用眾多業界認可的標準求解器而保證了計算結果的高質量。這樣做的另一大優點是用戶可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環境下工作，而不需培訓來熟悉另外一個陌生的軟件環境。通過Tosca內部各程序的相互作用可以完成新產品結構在CAD/CAE系統中從概念到成品的閉環優化設計過程。

圖1 采用Tosca軟件進行優化設計
二、Tosca結構優化系統各個主要模塊
Tosca軟件由Tosca.topology，Tosca.shape，Tosca.bead，Tosca.smooth，Tosca.gui等幾個主要的模塊組成，下面分別介紹這幾個模塊的功能與特點。
1.Tosca.Topology——Tosca軟件的核心優化拓撲模塊
新產品開發過程中的第一步工作是定義概念階段結構的設計原則。該設計原則是指確定基于載荷、先決條件以及可選設計空間內的一個設計解。該設計解在滿足設計要求如強度、剛度或者頻率目標等基礎上是相對于重量或者成本最優的。Tosca.topology 能夠在給定的可設計空間中，根據指定的所有加載和邊界條件計算出一個最佳的設計方案，該方案即可作為一個設計樣機，為后期詳細設計過程打下基礎。

圖2  汽車橫桿的拓撲優化設計（Audi公司提供照片）
Tosca.topology模塊的功能特點：
    剛度不變前提下的體積最小化
    體積不變前提下的剛度最大化
    體積不變前提下的第一固頻最大化
    不受載荷數目限制的非參優化技術
    滿足工藝要求和對稱條件
    網格自適應優化技術
    材料分布等勢面的VRML, STL 或 FE-表面網格劃分輸出
    優化結果可以在Tosca.smooth中進行進一步處理
2.Tosca.shape——Tosca軟件的外形優化功能模塊
概念設計階段的下一階段是設計的改進過程。在應力分析基礎上，對結構的表面幾何形狀進行不斷的修正和改進，直到達到要求的應力水平為止。該過程過去通常采用試做方法手工進行。但是Tosca.shape模塊可以自動完成該改進過程?，F存的需要改進的設計或者前面拓撲優化過程的結果的表面形狀會在有限元分析結果的基礎上進行不斷的改進，直到達到要求的優化目標。

圖3  基于接觸分析的連桿結構外形優化
Tosca.shape模塊的功能特點：
    減小應力集中
    改善結構耐久性
    提高自然頻率
    優化過程中采用自適應網格平滑技術
    滿足工藝要求和對稱條件
3. Tosca.bead——Tosca條紋優化模塊
Tosca.bead 采用德國卡爾斯魯厄大學制造發展協會（IPEK）開發的算法庫對金屬板結構進行條紋優化以提高其剛度和自然頻率或者降低噪音和振動。

圖4 油箱的條紋優化
Tosca.bead模塊的功能特點：
    提高彎曲剛度或自然頻率
    減少噪音和振動
    精確確定條紋的高度和寬度
    計算結果清晰明確，能夠被精確制造
4. Tosca.smooth——結構形狀平滑優化模塊
在虛擬產品開發過程中，需要將優化結果返回到CAD系統中以完成該過程的閉環。Tosca.smooth可以將優化結果輸出到目前大多數的CAD開發系統中去。該模塊可以從拓撲優化計算結果中得到材料分布的等勢面，然后對該等勢面進行平滑處理，最終得到的光滑優化表面，并可以以幾種不同的數據格式輸出。Tosca.shape外形優化結果也可以以相同的格式被轉化為CAD數據模型。

圖5 拓撲優化結果的平滑化及CAD結果輸出
Tosca.smooth模塊的功能特點：
    拓撲優化結果的材料分布等勢面計算
    外形平滑化并簡化CAD輸出結果數據
    輸出為CAD系統的匹配文件格式
    輸出為快速3D可視化的VRML文件格式
    輸出為用作網格重新劃分和分析的Patran neutral格式文件格式
    Tosca.shape外形優化結果輸出及數據簡化
5.Tosca.gui——Tosca軟件的圖形化用戶交互界面
Tosca.gui 是最優化設計中用來定義任務、開始運行以及后處理的直觀用戶圖形界面。

圖6  在Tosca.gui中定義優化任務
Tosca.gui具有下面的特點：
    獨立的Java控件平臺
    從有限元模型中輸入節點和單元體系
    生成Tosca所需的新的或者改進后的優化參數文件
    樹形結構保證了Tosca各種功能的快速工作流程和清晰顯示
    定義標準優化任務的框架技術
    具有Tosca各個模塊間的任務數據傳遞功能
    向不同的后處理器輸出結果
三．結論
作為一個完善的具有世界領先水平的結構優化系統，Tosca軟件的具有如下特點：
    高效處理超大模型的優化
    基于最優標準的快速、穩定優化算法
    優化過程對載荷和約束條件沒有數量限制
    采用用戶圖形界面Tosca.gui對優化過程進行定義，開始和后處理
    支持ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MSC.Marc, MSC.Nastran和PERMAS等眾多有限元求解器
    支持ABAQUS/Viewer, ANSYS, FEMAP, I-DEAS, MEDINA, MSC.Patran等前后處理器
    被優化區域內支持實體、殼、膜單元優化，非優化區域支持求解器所支持的所有單元類型
    支持非線性材料、接觸和大變形優化分析
    可以對優化區域邊界的外部及附近區域進行接觸定義
    支持并行計算求解
    支持Unix和NT操作系統
Tosca以其卓越的性能在汽車、航空、機械制造、加工工業等眾多領域得到了廣泛的應用，取得了良好的經濟效益，得到眾多客戶的一致好評。如果您對Tosca軟件感興趣，希望對這個軟件有更多地了解，熱情歡迎聯系我們——Tosca中國總代理：CAEDA Ltd，網址：http://www.caeda.com.cn。

shelly

好，支持LZ

caefinder

new version