01_Tosca Structure拓扑优化流程 & 实例1
前言
在传统设计过程的起始阶段，设计工程师通常会利用现有设计的经验和结果来定义新部件的形状和拓扑结构。在这个过程中，可能需要经历多次手动设计迭代和耗时漫长的开发流程，才能获得最佳设计方案。如今，要求缩短新部件的开发周期并同时实现全新设计，这就需要优化工具来辅助设计开发。通过Tosca Structure，在现有的 CAE 环境中进行拓扑优化，能够有效实现这一目标。拓扑优化是一种生成新设计方案的工具，通常在概念阶段用于确定组件的新概念设计。Tosca Structure从设计区域（表示部件中可变动的最大面积）和边界条件（如荷载、夹具和制造条件）开始，通过在设计区域中去除和添加材料来确定新的材料分布，确保新设计方案满足所有的机械要求。类似于有限元分析，使用Tosca Structure进行结构的拓扑优化也可分为前处理、求解和后处理这三大步骤，每个步骤又包括多个小步骤。相较于有限元分析，Tosca Structure定义拓扑优化流程更为简单。
三大步骤在Tosca Structure图形用户界面的不同模块中完成：- 前处理：使用Tosca Structure.pre模块，用于交互式地定义优化模型参数。
- 求解：使用Start Tosca Structure模块，控制数据预处理、优化和有限元求解器的运行。
- 后处理：使用Tosca Structure.report和Tosca Structure.smooth模块。
a). Tosca Structure.report模块：自动生成vtfx报告。
b). Tosca Structure.view模块：快速浏览优化结果。
c). Tosca Structure.smooth模块：用于平滑优化结果，使其可以传输至CAD软件或有限元前处理器。
接下来通过一个简单示例来演示Tosca Structure拓扑优化流程。
制动助力器的刚度优化
0. 模型概述
针对所示的概念模型，需要寻找一个制动助力器的设计方案。助力器必须具有足够的硬度，并且重量必须保持在较小范围内。新的设计方案可以通过在体积限制条件下最大化刚度（即最小化应变量的总和）来实现。
1. 前处理
在Tosca Structure中，切换到Tosca Structure.pre模块。1.1 导入有限元模型
有限元模型如图所示，其中包含了有限元分析所需的所有数据。在后续的优化过程中，将使用Abaqus求解器。因此，在该模型中定义了Abaqus的静态线性摄动分析步。
1.2 定义设计变量
设计变量是在优化过程中发生变化的量。在拓扑优化中，设计变量表示在优化过程中可能被删除的单元集，在该示例中选择ALL_ELEMENTS，表示选择所有单元。
1.3 定义设计变量约束
可以定义直接影响单个设计变量(DV_TOPO) 的约束(DVCON_TOPO)。这种约束的设定能够考虑制造限制或几何限制，对拓扑优化过程起着重要作用。本示例中，无需定义。1.4 定义设计响应
设计响应是一个标量值，包括目标函数、约束等。该示例中，要在体积限制条件下最大化刚度，因此设计响应是体积和应变能的总和（最大化刚度即最小化应变能的总和）。1.4.1 定义设计响应：体积
1.4.2 定义设计响应：应变能的总和
1.5 定义目标函数
目标函数规定了在优化过程中要被最大化或最小化的值。在该示例中，目标是最小化应变能的和。
1.6 定义约束
通常，优化任务会有一些约束条件，以限制设计响应值或线性组。如果不满足约束条件，那么优化结果就不可行。在该示例中，定义30%体积约束，即目标体积为原体积的30%。
1.7 定义优化任务
将定义的设计变量、目标函数、约束等组合起来，并选择优化策略。本示例中，选择TOPO_CONTROLLER，即选择基于控制的拓扑优化算法。此外，还有基于灵敏度的拓扑优化算法。
1.8 定义停止条件
需要定义停止条件以确保优化终止。可以设定最大迭代次数或基于优化的收敛行为。本示例中，最大迭代次数设定为15。
1.9 保存.par文件
在 Tosca Structure 中，所有命令选项都被保存在 .par 文件中，类似于 Abaqus 中的 .inp 文件，包含了定义优化模型和执行分析所需的所有设置和参数。
2. 求解
在 Tosca Structure 中完成前处理后，切换至 Start Tosca Structure 模块。Tosca优化任务需要与有限元求解器结合，因此需要明确定义选用的求解器。本示例选择Abaqus求解器，并使用单核进行求解。
3. 后处理
3.1 生成结果
等待求解完成后，在 Tosca Structure 中切换至 Tosca Structure.report 模块，生成报告。
3.2 查看结果
选择.vtfx结果文件后，会自动打开Tosca Structure.view，可以查看优化结果。
3.3 结果平滑处理
此外，切换至 Tosca Structure.smooth 模块，平滑优化结果以将其传输给 CAD 软件或有限元前处理器。
