TOSCA Structure拓撲優(yōu)化從入門到精通

前言：TOSCA Structure軟件概述

為了適應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 Structure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。自6.2版本起，原有的TOSCA軟件正式更名為TOSCA Structure。

一、TOSCA Structure軟件特點

TOSCA Structure是標準無參結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，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 Structure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結(jié)構(gòu)分析，通過采用眾多業(yè)界認可的優(yōu)化器進行優(yōu)化求解，從保證了優(yōu)化結(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 Structure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1.1 TOSCA Structure數(shù)據(jù)流程圖

二、TOSCA Structure結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)主要模塊

TOSCA Structure結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)由TOSCA Structure.gui、TOSCA Structure.topology、TOSCA Structure.shape，TOSCA Structure.bead，TOSCA Structure.post，TOSCA Structure.smooth，TOSCA Structure.report等幾個模塊組成。以下將分別介紹上述模塊的功能和特點。

TOSCA Structure.topology－拓撲優(yōu)化模塊

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、位移邊界條件以及可選設(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、剛度或者頻率約束等基礎(chǔ)上是重量最輕或者成本最優(yōu)的。TOSCA Structure.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)計初始樣機，為后期詳細設(shè)計過程打下基礎(chǔ)。

TOSCA Structure.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；

頻率滿足設(shè)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(wǎng)格自適應優(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；

優(yōu)化結(jié)果可以在TOSCA Structure.smooth中進行進一步處理；

圖2.1 Audi公司汽車聯(lián)接臂的拓撲優(yōu)化設(shè)計

TOSCA Structure.shape－形狀優(yōu)化模塊

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 Structure.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。

TOSCA Structure.shape模塊的功能特點：

減小應力集中；

改善結(jié)構(gòu)耐久性；

提高自然頻率；

滿足工藝加工要求；

圖2.2連桿形狀優(yōu)化設(shè)計

TOSCA Structure.bead－加強筋優(yōu)化模塊

TOSCA Structure.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)進行加強筋優(yōu)化以提高其剛度和自然頻率或者降低噪音和振動。

TOSCA Structure.bead模塊的功能特點：

提高結(jié)構(gòu)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(jié)果清晰明確，能夠被精確制造；

圖2.3 油底殼加強筋優(yōu)化

TOSCA Structure.smooth－平滑模塊

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 Structure.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 Structure.smooth形狀優(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。

TOSCA Structure.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；

TOSCA Structure.shape形狀優(yōu)化結(jié)果輸出及數(shù)據(jù)簡化；

圖2.4拓撲優(yōu)化平滑結(jié)果與快速加工制造產(chǎn)品

TOSCA Structure.gui－統(tǒng)一界面

TOSCA Structure.gui是最優(yōu)化設(shè)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。

TOSCA Structure.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)化任務的框架技術(shù)；

具有TOSCA各個模塊間的任務數(shù)據(jù)傳遞功能；

向不同的后處理器輸出結(jié)果；

圖2.5TOSCA Structure.gui統(tǒng)一界面

三、TOSCA Structure 在3D打印應用

案例實操1-懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖3.1所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以剛度最大化為目標，45%體積比約束?？紤]到加工因素，外層單元在優(yōu)化迭代中不變，即僅內(nèi)層結(jié)構(gòu)的單元密度在優(yōu)化迭代過程中可變。

圖3.1 長懸臂梁結(jié)構(gòu)

在TOSCA軟件中，包括手動命令和自動向?qū)煞N模式設(shè)置優(yōu)化模型。自動向?qū)Ｊ骄哂幸子谏鲜謱W習、步驟清晰等優(yōu)點。

在TOSCA Structure.gui下點擊File菜單下的TOSCA.wizard，進入向?qū)藴什襟E下的優(yōu)化模型設(shè)置。

步驟1－優(yōu)化類型。如圖3.2所示，優(yōu)化類型包括拓撲優(yōu)化(Topology optimization)、形狀優(yōu)化(Shape optimization)和加強筋優(yōu)化(Bead optimization)三類。本算例選擇拓撲優(yōu)化類型。

圖3.2 步驟1－優(yōu)化類型

步驟2－模型信息。如圖3.3所示，主要內(nèi)容為有限元模型輸入文件信息和其它模型信息。本算例選擇在FE-Model中選擇airbeam.inp文件，其余額外信息忽略。

圖3.3 步驟2－模型信息

步驟3－設(shè)計變量區(qū)域。如圖3.4所示，主要內(nèi)容為選擇優(yōu)化區(qū)域，缺省為全部單元(ALL_ELEMENTS)，或者采用創(chuàng)建新的單元組方法。本算例選擇全部單元作為設(shè)計區(qū)域。

圖3.4 步驟3－設(shè)計變量區(qū)域

步驟4－優(yōu)化任務。如圖3.5所示，主要內(nèi)容為定義優(yōu)化目標與約束條件。缺省優(yōu)化目標為剛度最大化(Maximize stiffness)。其它優(yōu)化目標包括基頻最大化(Maximize the lowest eigenfrequencies)、體積最小化(Minimize the volume)。缺省約束條件為體積比約束30.0%，其它約束條件為節(jié)點位移約束條件。本算例選擇剛度最大化為目標，體積比約束為45.0%。

圖3.5 步驟4－優(yōu)化任務

步驟5－凍結(jié)區(qū)域。如圖7所示，主要內(nèi)容為定義凍結(jié)區(qū)域即非參與優(yōu)化區(qū)域。本算例勾選Definea Frozen Area選項，在existing group中選擇frozen_elements.

圖3.6 步驟5－凍結(jié)區(qū)域

步驟6－拔模制造約束。如圖3.7所示，主要內(nèi)容為定義拔模制造約束的組、拔模方向等。由于本算例為平面結(jié)構(gòu)，忽略拔模制造約束。

圖3.7 步驟6－拔模制造約束

步驟7－總結(jié)。如圖3.8所示，主要內(nèi)容為上述步驟內(nèi)容匯總。

圖3.8步驟7－總結(jié)

設(shè)置完成上述向?qū)Р襟E后，得到如圖3.9所示的TOSCAStructure.gui界面。在File菜單下點擊Save，保存文件名airbeam.par，其中.par表示單詞參數(shù)parameter的縮寫。在界面左邊是參數(shù)文件包含的命令，具有Text/Compact/Tree三種顯示模式，分別點擊左小角對應的卡片可在不同模式間進行切換。

圖3.9GUI界面

如圖3.10所示，切換至Start Tosca Structure界面，點擊Start TOSCA按鈕，運行TOSCA Structure直至計算完畢。

圖3.10

案例實操2-支座的拓撲優(yōu)化

原始支座結(jié)構(gòu)如圖所示

圖3.11 支座結(jié)構(gòu)受力

為了實現(xiàn)輕量化設(shè)計，設(shè)置如圖3.12所示的優(yōu)化區(qū)域

圖3.12 優(yōu)化區(qū)域設(shè)置

優(yōu)化模型采用剛度最大化設(shè)計 ，20%體積比約束，優(yōu)化區(qū)域采用平面對稱(對稱面與z軸垂直)。

拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖3.13~3.14所示，根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果得到的改進結(jié)構(gòu)1，2如圖3.15~3.16所示。

圖3.13 拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖3.14 拓撲優(yōu)化光順結(jié)果

圖3.13 改進結(jié)構(gòu)1

圖3.14 改進結(jié)構(gòu)2

對改進結(jié)構(gòu)進行有限元分析，位移和應力如圖3.15所示。

(a) 位移云圖

(b) 應力云圖

圖3.15 改進結(jié)構(gòu)有限元分析

責任編輯：xj

原文標題：【案例實操】TOSCA拓撲優(yōu)化從入門到精通

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