动力机械及工程龙凯博士拆解Tosca Structure 拓扑优化的学习方法与工程应用（8月25日）

图片来自网络

导读：在目前已有的结构优化商业软件中，TOSCA Structure无疑是操作最为简单，上手最快的软件，没有之一。

首先，TOSCA Structure软件构架如图1所示，由于并不完成有限元分析部分，所以用户可以在自己熟悉的CAE软件下完成有限元模型建立、加载、参数设置等，以abaqus为例，建模完毕后，导出.inp文件即可。在TOSCA Structure软件中完成优化设置、CAE程序调用、优化求解等工作，并在其后处理模块中进行后处理。通过TOSCA Structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。

图1 TOSCA Structure 软件构架

一、古有曹植七步成诗，今有TOSCA Structure七步设置

如图2所示的悬臂梁结构优化，以刚度最大化为目标，45%体积比约束。考虑到加工因素，外层单元在优化迭代中不变，即仅内层结构的单元密度在优化迭代过程中可变。

图2 长悬臂梁结构

在TOSCA软件中，包括手动命令和自动向导两种模式设置优化模型。自动向导模式具有易于上手学习、步骤清晰等优点。

在TOSCA Structure.gui下点击File菜单下的TOSCA.wizard，进入向导标准步骤下的优化模型设置。

步骤1－优化类型

如图3所示，优化类型包括拓扑优化(Topology optimization)、形状优化(Shape optimization)和加强筋优化(Bead optimization)三类。本算例选择拓扑优化类型。

图3 步骤1－优化类型

步骤2－模型信息

如图4所示，主要内容为有限元模型输入文件信息和其它模型信息。本算例选择在FE-Model中选择airbeam.inp文件，其余额外信息忽略。

图4 步骤2－模型信息

步骤3－设计变量区域

如图5所示，主要内容为选择优化区域，缺省为全部单元(ALL_ELEMENTS)，或者采用创建新的单元组方法。本算例选择全部单元作为设计区域。

图5 步骤3－设计变量区域

步骤4－优化任务：

如图6所示，主要内容为定义优化目标与约束条件。缺省优化目标为刚度最大化(Maximize stiffness)。其它优化目标包括基频最大化(Maximize the lowest eigenfrequencies)、体积最小化(Minimize the volume)。缺省约束条件为体积比约束30.0%，其它约束条件为节点位移约束条件。本算例选择刚度最大化为目标，体积比约束为45.0%。

图6 步骤4－优化任务

步骤5－冻结区域：

如图7所示，主要内容为定义冻结区域即非参与优化区域。本算例勾选Define a Frozen Area选项，在existing group中选择frozen_elements.

步骤6－拔模制造约束

如图8所示，主要内容为定义拔模制造约束的组、拔模方向等。由于本算例为平面结构，忽略拔模制造约束。

图8 步骤6－拔模制造约束

步骤7－总结

如图9所示，主要内容为上述步骤内容汇总。

图9 步骤7－总结

设置完成上述向导步骤后，得到如图10所示的TOSCA Structure.gui界面。在File菜单下点击Save，保存文件名airbeam.par，其中.par表示单词参数parameter的缩写。在界面左边是参数文件包含的命令，具有Text/Compact/Tree三种显示模式，分别点击左小角对应的卡片可在不同模式间进行切换。

图10 GUI界面

如图11所示，切换至Start Tosca Structure界面，点击Start TOSCA按钮，运行TOSCA Structure直至计算完毕。

二、认识TOSCA STRUCTRUE 

根据上文的介绍，我们可以得出以下结论：利用wizard工具，7步实现拓扑优化设置；古有曹植七步成诗，今有TOSCA Structure七步设置； 对于复杂工程问题，将主要采用wizard工具设置优化模型，配合高级命令的方法。

但是，目前TOSCA Structure软件在市面上没有书籍和相关视频。大多数的学习者只能通过自带的帮助文件学习。尽管帮助手册上有关于软件命令的详细解释，但是缺乏软件操作的讲解。

鉴于此，笔者与2020年7月在仿真秀独家发布精品课《TOSCA Structure拓扑优化进阶16讲》掌握TOSCA控制算法和敏感算法实际工程应用能力。目前已经更新完整，点击下图订阅和体验，以下是课程大纲：

本课程重点通过实例操作，帮助学习者快速掌握软件用法，并通过实例讲解软件自带的控制算法和敏度算法的异同点，应用场合的适用性。通过工程算例讲解，希望软件使用者达到解决实际工程问题的目的。