Tosca

TOSCA优化系统是结构的非参数优化系统。可用于结构产品轻量化设计，流体内流道优化设计。

与传统优化工具不同的是，TOSCA优化系统专注于优化模块的开发，将有限元分析工作（静力分析、模态分析，频响分析等）交给专业的有限元求解器处理，这样强强联合的策略，使得优化结果更加精确可靠。拓扑形貌优化系统拥有全面的结构和流体优化能力，在非参数优化软件领域是独一无二的。使得设备研发设计的各个阶段（结构和流体、概念设计和详细设计），都能提供前所未有的完整解决方案。

TOSCA可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状、起筋、尺寸优化。对于每种优化类型，均支持几何、接触、材料非线性，并允许进行疲劳耐久性能的优化，拓扑优化的方案能自动光顺为CAD几何，完成优化设计的闭环，真正为设备结构设计提升效率。

 

• 结构拓扑优化

通过在给定的设计空间，满足指定加载工况和边界条件进行优化计算，得到最优设计。显著缩短设计时间、提供更高水准的设计、节省材料，减轻重量。

结构拓扑优化可包含制造约束，一个常见的结构拓扑优化流程如下：

图 拓扑优化流程

对于结构拓扑优化，可以定义的约束或目标包括：刚度(柔度或位移)、固有频率、应力、反应力(内力或反作用力)、频响位移、速度和加速度、重量和体积、质心位置、惯量、声学特性等。

优化结果如果难以制造，或者制造成本高昂，将失去工程应用的意义和价值。在拓扑优化的过程中考虑制造工艺的可行性。制造约束包括：冻结区域、铸造、挤压、冲压、对称、复制、最大和最小结构尺寸、密封控制、增材制造等制造约束。

图 起落架拓扑优化

如飞机起落架装置是飞机重要的具有承力兼操纵性的 设备，在飞机安全起降过程中担负着及其重要的使命，其性能的优劣直接关系到飞机的使用与安全。 设备拓扑形貌优化系统可以在确保起落架结构强度性能的前提下，实现设备的减重优化设计，提升 设备的经济性。

 设备拓扑形貌优化系统可以实现航空座椅的承载结构部件的轻量化设计，提升航空飞行器承载能力。

 

• 形状优化功能

形状优化主要用于 设备的详细设计阶段，设备的总体布局大体已经固定，只允许有轻微的变化和改进。通常，目标函数为最小化应力集中。根据应力分析的结果，对一个组件的表面几何进行修改，直到所需的应力水平为止。这个过程在以前通常是通过尝试和修改手动进行。 

 设备拓扑形貌优化系统让这个改进过程实现自动化。一个给定的有限元模型的表面几何形状是根据有限元分析结果反复修改，使得需要优化的目标就达到了。初始模型是取自现有的设计，应该被改进的，或是之前的拓扑优化。形状优化模块通过对外表面进行修改提升设计，设计目标往往是应力分布更加均匀或提升固有频率。可以对现有FE模型迅速改进，降低应力集中，提升设计的耐久性或固有模态。

结构形状优化

可以实现多种任务： 最小化等效应力，最大化选定的固有频率，可以指定体积约束，指定用于铸造，锻造，冲压，挤压和表面钻型制造业的约束、最小和最大部件的尺寸 、对称约束。

形状优化支持非线性分析，接触，大变形，非线性材料和疲劳。

形状优化示意

 

• 形貌加强筋优化功能

用于确定在板壳结构中加强筋的位置和方向，加强筋能够提升弯曲刚度以及板壳结构的动力学特性。可以实现完全自动化，节省改进设计所需时间，对于复杂模型可以实现清晰的加强筋布局，可以考虑制造约束，实现创新的和可直接生产的加强筋设计。

起筋优化

可以施加各种制造约束，如对称约束等，支持对相邻部件自动进行穿透与干涉检查，可指定加强筋的高度和宽度规格。

 

• 尺寸优化功能

通过参数自动调节如改变壳的厚度参数和梁结构的截面形状，从而改善结构的特性如降低设计重量，减小应力，提高频率等。

允许将每一个壳单元做为设计变量实现自由尺寸优化，也可将一组壳单元做为一个设计变量进行优化，以保证一个指定的设计区域厚度能同时变化。

尺寸优化示意

结构尺寸优化支持定义包括刚度(柔度或位移)、固有频率、应力、反应力(内力或反作用力)、频响位移、速度和加速度、重量和体积、质心位置、惯量、声学特性等约束和目标。同时可以施加像固结、对称、最大/最小尺寸等制造约束。

 

• 流场拓扑优化功能

流体拓扑优化可以对一个特定设计空间，进行流道的拓扑优化设计，实现最低的压力损失，尽可能避免回流现象，支持内流、稳态、单相流；同时也可以用于降低出入口压力差、平衡两个出口流速、声压优化等。

流场优化示意

• 平滑化处理功能

考虑到生产制造性，以及对优化结果的验证需求， 设备拓扑形貌优化系统可以把其他模块优化计算的结果模型平滑化，并可以输出为几种不同的数据格式的CAD模型。

计算材料分布等值面，平滑化优化结果模型，进行结果数据简略， 能够输出各种CAD格式文件。

平滑示意

自动结果验证和动画显示，基于VTF格式的优化过程3D轻量化动画，VTF动画可以嵌入PPT, WORD等报告中，自动生成报告，结果自动进行CAE验证。

 

 

结构仿真培训

高级课程/ Tosca结构优化基础培训2天

1. 结构优化简介

2. 拓扑优化

3. 形状优化

4. 尺寸优化

5. 钣金起筋优化