优秀的结构优化设计软件Tosca

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优秀的结构优化设计软件Tosca

一、前言
为了适应愈加残酷的市场竞争环境以及工业产品技术发展的要求，产品的开发周期变得越来越短，而其复杂程度却越来越高。在这种情况下，借助结构优化软件工具能够起到缩短开发周期、节约开发成本和提高产品质量的作用，从而达到全面提升企业竞争力目的。Tosca系统是德国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是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷情况的有限元模型进行拓扑和外形优化。在优化过程中，可以直接使用已经存在的有限元模型。Tosca进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行求解，通过采用众多业界认可的标准求解器而保证了计算结果的高质量。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。

图1 采用Tosca软件进行优化设计

二、Tosca结构优化系统各个主要模块
Tosca软件由Tosca.topology，Tosca.shape，Tosca.bead，Tosca.smooth，Tosca.gui等几个主要的模块组成，下面分别介绍这几个模块的功能与特点。
1.Tosca.Topology——Tosca软件的核心优化拓扑模块
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原则。该设计原则是指确定基于载荷、先决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、刚度或者频率目标等基础上是相对于重量或者成本最优的。Tosca.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样机，为后期详细设计过程打下基础。

图2
汽车横杆的拓扑优化设计（Audi公司提供照片）

Tosca.topology模块的功能特点：
n
刚度不变前提下的体积最小化
n
体积不变前提下的刚度最大化
n
体积不变前提下的第一固频最大化
n
不受载荷数目限制的非参优化技术
n
满足工艺要求和对称条件
n
网格自适应优化技术
n
材料分布等势面的VRML, STL 或 FE-表面网格划分输出
n
优化结果可以在Tosca.smooth中进行进一步处理
2.Tosca.shape——Tosca软件的外形优化功能模块
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不断的修正和改进，直到达到要求的应力水平为止。该过程过去通常采用试做方法手工进行。但是Tosca.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。

图3
基于接触分析的连杆结构外形优化

Tosca.shape模块的功能特点：
n
减小应力集中
n
改善结构耐久性
n
提高自然频率
n
优化过程中采用自适应网格平滑技术
n
满足工艺要求和对称条件
3. Tosca.bead——Tosca条纹优化模块
Tosca.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条纹优化以提高其刚度和自然频率或者降低噪音和振动。

图4 油箱的条纹优化

Tosca.bead模块的功能特点：
n
提高弯曲刚度或自然频率
n
减少噪音和振动
n
精确确定条纹的高度和宽度
n
计算结果清晰明确，能够被精确制造
4.
Tosca.smooth——结构形状平滑优化模块
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.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.shape外形优化结果也可以以相同的格式被转化为CAD数据模型。

图5 拓扑优化结果的平滑化及CAD结果输出

Tosca.smooth模块的功能特点：
n
拓扑优化结果的材料分布等势面计算
n
外形平滑化并简化CAD输出结果数据
n
输出为CAD系统的匹配文件格式
n
输出为快速3D可视化的VRML文件格式
n
输出为用作网格重新划分和分析的Patran neutral格式文件格式
n
Tosca.shape外形优化结果输出及数据简化
5.Tosca.gui——Tosca软件的图形化用户交互界面

Tosca.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。

图6
在Tosca.gui中定义优化任务

Tosca.gui具有下面的特点：
n
独立的Java控件平台
n
从有限元模型中输入节点和单元体系
n
生成Tosca所需的新的或者改进后的优化参数文件
n
树形结构保证了Tosca各种功能的快速工作流程和清晰显示
n
定义标准优化任务的框架技术
n
具有Tosca各个模块间的任务数据传递功能
n
向不同的后处理器输出结果
三．结论
作为一个完善的具有世界领先水平的结构优化系统，Tosca软件的具有如下特点：
n
高效处理超大模型的优化
n
基于最优标准的快速、稳定优化算法
n
优化过程对载荷和约束条件没有数量限制
n
采用用户图形界面Tosca.gui对优化过程进行定义，开始和后处理
n
支持ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MSC.Marc, MSC.Nastran和PERMAS等众多有限元求解器
n
支持ABAQUS/Viewer, ANSYS, FEMAP, I-DEAS, MEDINA, MSC.Patran等前后处理器
n
被优化区域内支持实体、壳、膜单元优化，非优化区域支持求解器所支持的所有单元类型
n
支持非线性材料、接触和大变形优化分析
n
可以对优化区域边界的外部及附近区域进行接触定义
n
支持并行计算求解
n
支持Unix和NT操作系统
Tosca以其卓越的性能在汽车、航空、机械制造、加工工业等众多领域得到了广泛的应用，取得了良好的经济效益，得到众多客户的一致好评。如果您对Tosca软件感兴趣，希望对这个软件有更多地了解，热情欢迎联系我们——Tosca中国总代理：CAEDA Ltd，网址：https://www.caeda.com.cn。

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