結構最佳化設計TOSCA軟體

TOSCA Structure是德國Fe-design公司開發的目前在國際上處於領先地位結構最佳化設計軟體系統│▩☁↟，目前已被廣泛應用於汽車☁☁☁☁╃、航空☁☁☁☁╃、機械製造☁☁☁☁╃、加工工業等眾多領域│▩☁↟，並被奧迪☁☁☁☁╃、寶馬等世界知名公司所採用│▩☁↟，作為其進行產品虛擬開發的軟體工具◕•。

TOSCA Structure 是標準的無參結構最佳化系統│▩☁↟，可以對具有任意載荷工況的有限元模型進行拓撲☁☁☁☁╃、形狀和加強筋最佳化◕•。在最佳化過程中│▩☁↟，可以直接使用已存在的有限元模型◕•。TOSCA Structure 是進行結構最佳化的每一迭代過程均在外部求解器中進行結構分析│▩☁↟，透過採用眾多業界認可的最佳化器進行最佳化求解│▩☁↟，保證了最佳化結果的高質量◕•。 這樣做的另一大優點是使用者可以在自己熟悉的求解器以及前後處理環境下工作│▩☁↟，而不需培訓來熟悉另外一個陌生的軟體環境◕•。透過 TOSCA Structure內部各程式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最佳化設計過程◕•。

TOSCA Strcuture  結構最佳化系統各個主要模組
TOSCAStructure軟體由Topology│▩☁↟，Shape│▩☁↟，Bead│▩☁↟，Smooth│▩☁↟，Gui等幾個主要的模組組成│▩☁↟，以下將分別介紹上述模組的功能與特點◕•。

1☁☁☁☁╃、TOSCA Strucutre.topology －拓撲最佳化模組
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準則◕•。該設計原則是指確定基於載荷☁☁☁☁╃、位移邊界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☁☁☁☁╃、剛度或頻率約束等基礎上是重量最輕或者成本最優的◕•。TOSCA Structure.topology 能夠在給定的可設計空間中│▩☁↟，根據指定的所有載入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初始樣機│▩☁↟，為後期詳細設計打下基礎◕•。TOSCA Structure.topology模組的功能特點✘↟：
 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；
 頻率滿足設計要求的前提下體積最小化；
 體積不變前提下的第一頻率最大化；
 具有處理多工況☁☁☁☁╃、多目標☁☁☁☁╃、多約束問題的能力；
 滿足工藝加工要求；
 網格自適應最佳化技術；
 材料分佈等勢面的VRML, STL 或 FE表面網格劃分輸出；
 最佳化結果可以在TOSCA Structure.smooth中進行進一步處理；

                                                       圖2 Audi 公司汽車聯接臂的拓撲最佳化設計

TOSCA Structure.shape －形狀最佳化模組
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◕•。該過程過去通常採用試算方法手工進行◕•。但是TOSCA Strucutre.shape模組可以自動完成該改進過程◕•。 現存的需要改進的設計或者前面拓撲最佳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│▩☁↟，直到達到要求的最佳化目標◕•。
TOSCA Strucutre.shape模組的功能特點✘↟：
 減小應力集中；
 改善結構耐久性；
 提高自然頻率；
 滿足工藝加工要求；

                                                       圖3  連桿形狀最佳化設計
TOSCA Structure.bead －加強筋最佳化模組
TOSCA Structure.bead 採用德國卡爾斯魯厄大學制造發展協會 （IPEK） 開發的演算法庫對金屬板結構進行加強筋最佳化以提高其剛度和自然頻率或者降低噪音和振動◕•。TOSCA Structure.bead模組的功能特點✘↟：
 提高結構剛度或自然頻率；
 減振降噪；
 精確確定條紋的高度和寬度；
 計算結果清晰明確│▩☁↟，能被精確製造；

                                                            圖4  油底殼加強筋最佳化
TOSCA Strucutre.smooth －平滑模組
在虛擬產品開發過程中│▩☁↟，需要將最佳化結果返回到CAD系統中以完成該過程的閉環◕•。TOSCA Strucutre.smooth可以將最佳化結果輸出到目前大多數的CAD開發系統中去◕•。該模組可以從拓撲最佳化計算結果中得到材料分佈的等勢面│▩☁↟，然後對該等勢面進行平滑處理│▩☁↟，最終得到的光滑最佳化表面│▩☁↟，並可以以幾種不同的資料格式輸出◕•。 TOSCA Strucutre.shape形狀最佳化結果也可以以相同的格式被轉化為CAD資料模型◕•。TOSCA Strucutre.smooth模組的功能特點✘↟：
 拓撲最佳化結果的材料分佈等勢面計算；
 外形平滑化並簡化CAD輸出結果資料；
 輸出為CAD系統的匹配檔案格式；
 輸出為快速3D視覺化的VRML檔案格式；
 輸出為用作網格重新劃分和分析的Patran neutral；
 Tosca.shape形狀最佳化結果輸出及資料簡化；

                                                       圖5  拓撲最佳化平滑結果與快速加工製造產品

TOSCA Structure.gui －統一介面
TOSCA Structure.gui 是最最佳化設計中用來定義任務☁☁☁☁╃、開始執行以及後處理的直觀使用者圖形介面◕•。TOSCA Structure.gui具有下面的特點✘↟：
 獨立的Java控制元件平臺；
 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後的最佳化引數檔案；
 樹形結構保證了Tosca各種功能的快速工作流程和清晰顯示；
 定義標準最佳化任務的框架技術；
 具有Tosca各個模組間的任務資料傳遞功能；
 向不同的後處理器輸出結果；

                                                   圖6 TOSCA.GUI 統一介面

作為一個完善的具有世界領先水平的結構最佳化系統│▩☁↟，TOSCA Structure軟體的具有如下特點✘↟：
 高效處理超大模型的最佳化能力；
 基於較優標準的快速☁☁☁☁╃、穩健最佳化演算法；
 最佳化過程對載荷和約束條件沒有數量限制；
 採用使用者圖形介面TOSCA Structure.gui對最佳化過程進行定義☁☁☁☁╃、 執行和後處理；
 支援ABAQUS, ANSYS, MSC.Nastran│▩☁↟，MSC,Fatigue,和PERMAS等商品化有限元求解器；
 支援ABAQUS/Viewer, ANSYS, FEMAP, MEDINA, MSC.Patran等前後處理器；
 被最佳化區域內支援實體☁☁☁☁╃、膜☁☁☁☁╃、板☁☁☁☁╃、殼等單元│▩☁↟，非最佳化區域支援求解器所支援的所有單元型別；
 支援材料非線性☁☁☁☁╃、幾何大變形和接觸非線性最佳化分析；
 可以通過後處理輸入CAD檔案格式│▩☁↟，其中包括stl格式和igs格式等◕•。從而實現新產品開發在CAD/CAE 系統中從概念到成品的閉環最佳化設計過程；
 網格自適應功能│▩☁↟，提高求解效率；
 可以定義加工工藝約束│▩☁↟，包括拔模☁☁☁☁╃、鑄造☁☁☁☁╃、衝壓☁☁☁☁╃、對稱等約束等；
 在形狀最佳化中無需定義形狀基礎向量；
 支援頻率響應和熱固耦合場的拓撲最佳化；
 可以對最佳化區域邊界的外部及附近區域進行接觸定義；
 支援平行計算求解；
 支援Unix和NT等多作業系統