優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件Tosca

caefinder

一、前言
為了適應(yīng)愈加殘酷的市場競爭環(huán)境以及工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的要求，產(chǎn)品的開發(fā)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(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件工具能夠起到縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，從而達到全面提升企業(yè)競爭力目的。Tosca系統(tǒng)是德國Fe-design公司開發(fā)的目前在國際上處于領(lǐng)先地位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機械制造、加工工業(yè)等眾多領(lǐng)域，并被奧迪、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進行產(chǎn)品虛擬開發(fā)的軟件工具。
Tosca是標準的無參結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，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(yōu)化。在優(yōu)化過程中，可以直接使用已經(jīng)存在的有限元模型。Tosca進行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yè)界認可的標準求解器而保證了計算結(jié)果的高質(zhì)量。這樣做的另一大優(yōu)點是用戶可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環(huán)境下工作，而不需培訓來熟悉另外一個陌生的軟件環(huán)境。通過Tosca內(nèi)部各程序的相互作用可以完成新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在CAD/CAE系統(tǒng)中從概念到成品的閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計過程。

圖1 采用Tosca軟件進行優(yōu)化設(shè)計
二、Tosca結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)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(yōu)化拓撲模塊
新產(chǎn)品開發(fā)過程中的第一步工作是定義概念階段結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則。該設(shè)計原則是指確定基于載荷、先決條件以及可選設(shè)計空間內(nèi)的一個設(shè)計解。該設(shè)計解在滿足設(shè)計要求如強度、剛度或者頻率目標等基礎(chǔ)上是相對于重量或者成本最優(yōu)的。Tosca.topology 能夠在給定的可設(shè)計空間中，根據(jù)指定的所有加載和邊界條件計算出一個最佳的設(shè)計方案，該方案即可作為一個設(shè)計樣機，為后期詳細設(shè)計過程打下基礎(chǔ)。

圖2  汽車橫桿的拓撲優(yōu)化設(shè)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(shù)目限制的非參優(yōu)化技術(shù)
    滿足工藝要求和對稱條件
    網(wǎng)格自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)
    材料分布等勢面的VRML, STL 或 FE-表面網(wǎng)格劃分輸出
    優(yōu)化結(jié)果可以在Tosca.smooth中進行進一步處理
2.Tosca.shape——Tosca軟件的外形優(yōu)化功能模塊
概念設(shè)計階段的下一階段是設(shè)計的改進過程。在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xiàn)存的需要改進的設(shè)計或者前面拓撲優(yōu)化過程的結(jié)果的表面形狀會在有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進行不斷的改進，直到達到要求的優(yōu)化目標。

圖3  基于接觸分析的連桿結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化
Tosca.shape模塊的功能特點：
    減小應(yīng)力集中
    改善結(jié)構(gòu)耐久性
    提高自然頻率
    優(yōu)化過程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格平滑技術(shù)
    滿足工藝要求和對稱條件
3. Tosca.bead——Tosca條紋優(yōu)化模塊
Tosca.bead 采用德國卡爾斯魯厄大學制造發(fā)展協(xié)會（IPEK）開發(fā)的算法庫對金屬板結(jié)構(gòu)進行條紋優(yōu)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(yōu)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(jié)果清晰明確，能夠被精確制造
4. Tosca.smooth——結(jié)構(gòu)形狀平滑優(yōu)化模塊
在虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要將優(yōu)化結(jié)果返回到CAD系統(tǒng)中以完成該過程的閉環(huán)。Tosca.smooth可以將優(yōu)化結(jié)果輸出到目前大多數(shù)的CAD開發(fā)系統(tǒng)中去。該模塊可以從拓撲優(yōu)化計算結(jié)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(yōu)化表面，并可以以幾種不同的數(shù)據(jù)格式輸出。Tosca.shape外形優(yōu)化結(jié)果也可以以相同的格式被轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)模型。

圖5 拓撲優(yōu)化結(jié)果的平滑化及CAD結(jié)果輸出
Tosca.smooth模塊的功能特點：
    拓撲優(yōu)化結(jié)果的材料分布等勢面計算
    外形平滑化并簡化CAD輸出結(jié)果數(shù)據(jù)
    輸出為CAD系統(tǒng)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(wǎng)格重新劃分和分析的Patran neutral格式文件格式
    Tosca.shape外形優(yōu)化結(jié)果輸出及數(shù)據(jù)簡化
5.Tosca.gui——Tosca軟件的圖形化用戶交互界面
Tosca.gui 是最優(yōu)化設(shè)計中用來定義任務(wù)、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(yōu)化任務(wù)
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(jié)點和單元體系
    生成Tosca所需的新的或者改進后的優(yōu)化參數(shù)文件
    樹形結(jié)構(gòu)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(yōu)化任務(wù)的框架技術(shù)
    具有Tosca各個模塊間的任務(wù)數(shù)據(jù)傳遞功能
    向不同的后處理器輸出結(jié)果
三．結(jié)論
作為一個完善的具有世界領(lǐng)先水平的結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，Tosca軟件的具有如下特點：
    高效處理超大模型的優(yōu)化
    基于最優(yōu)標準的快速、穩(wěn)定優(yōu)化算法
    優(yōu)化過程對載荷和約束條件沒有數(shù)量限制
    采用用戶圖形界面Tosca.gui對優(yōu)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(yōu)化區(qū)域內(nèi)支持實體、殼、膜單元優(yōu)化，非優(yōu)化區(qū)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(yōu)化分析
    可以對優(yōu)化區(qū)域邊界的外部及附近區(qū)域進行接觸定義
    支持并行計算求解
    支持Unix和NT操作系統(tǒng)
Tosca以其卓越的性能在汽車、航空、機械制造、加工工業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)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(lián)系我們——Tosca中國總代理：CAEDA Ltd，網(wǎng)址：http://www.caeda.com.cn。

shelly

好，支持LZ

caefinder

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