1、2008-5-311Tosca 6.0 培训教程苏瑞意2008-5-31cae design & analysis co 目录y Tosca软件介绍y 拓扑优化理论介绍y 应用案例介绍y Tosca培训案例 cae design & analysis co 2008-5-312Tosca软件介绍y 背景f 德国 FE-Design公司f 成立于 1998年Topology result CAD- modelDesign spaceExisting design成立于 年f 最新版本 6.1.1y 主要功能f 拓扑优化f 形状优化f 条纹优化Initial geometry Optimized
2、coupling linkWeight Max. StressInitial geometry Optimization result cae design & analysis co y 应用领域f 汽车： Audi、 BMW、 Man、 Bosch、 ZFf 航空航天： MTU Aero Engines GmbHTosca软件介绍y 主要特点f 优化算法 基于控制的优化算法和基于敏度的优化算法基于控制的优化算法和基于敏度的优化算法f 响应函数 频率、位移、应力、应变能、体积以及自定义函数f 软件接口 Nastran、 Ansys、 Abaqus、 Fatiguef 制造约束 对称性、最大最
3、小尺寸、拔模角度 f 主要模块 cae design & analysis co Tosca.Wizard、 Tosca.Pre、 Tosca.Smooth、 Tosca.Post、 Tosca.Report2008-5-313Tosca软件介绍y Tosca优化流程 cae design & analysis co 拓扑优化理论介绍y 主要的拓扑优化方法f 均匀化方法， 1988年， Bendse和 Kikuchif 变密度法 1989年 Bendse变密度法 ， 年 ，f 遗传算法y 材料插值模型f SIMP（ Solid Isotropic Micro-structure with P
4、enalization ）f RAMP（ R ti l A i ti f M t i l P ti ）0EE= cae design & analysis co （ ationa pprox ma on o a er a roper es）01(1 )EEq=+2008-5-314拓扑优化理论介绍 cae design & analysis co SIMPRAMP拓扑优化理论介绍y 最小柔度问题min ( )TNcfu =y 灵敏度推导min1, 0 1ee eest v V= *( ) ( )()TeTTeeecfuuKufcuKf uK u u = = *0TfuK= cae design
5、 & analysis co 1*1NeeTT Teeee eKKcK Kuuuu uKu = = = =2008-5-315拓扑优化理论介绍y 棋盘格与网格依赖性现象y 灵敏度滤波NiifH cae design & analysis co 11min min(,), | (,) , 1,2, ,i iNkkiiifHH r dist k i i N dist k i r k N= =“Tosca应用案例介绍y 线弹性f Audi A8 传送机构y 碰撞f BMW白车身y 超弹性材料f 凸轮轴减震器 cae design & analysis co 2008-5-316Audi A8 传送机
6、构拓扑优化y 问题描述：f 由于更换新引擎，某传送机构受力增加，需要重新设计 cae design & analysis co Audi A8 传送机构拓扑优化y 初始设计方案y 拓扑优化空间y 拓朴优化过程 cae design & analysis co 拓朴优化过程2008-5-317Audi A8 传送机构拓扑优化y 拓扑优化结果y 新的设计方案 cae design & analysis co Audi A8 传送机构拓扑优化y 优化效果f 质量降低 10%f 最大应力下降 45%Admissible最大应力下降f 新设计方案一次通过各种试验测试f 加快新产品设计速度Weight M
7、ax. stress Max. displacementStressExisting designNew design cae design & analysis co 2008-5-318BMW白车身碰撞拓扑优化y 轿车白车身应该满足各种碰撞性能要求f 变形区应该尽可能多的吸收能量f 乘客区应该尽量少变形和侵入乘客区应该尽量少变形和侵入f 同时白车身的设计必须满足质量要求y 拓扑优化只考虑线性f 用线性载荷集合来模拟碰撞载荷历史y 同时考虑前撞、侧撞和后撞 cae design & analysis co BMW白车身碰撞拓扑优化拓扑优化结果定义拓扑优化空间 cae design & ana
8、lysis co 形状优化结果2008-5-319: Reference structure : Optimized structure前撞，侧撞，后撞优化结果 cae design & analysis co Side crash Rear crashFront crash优化结果验证Reference structure front crash Reference structure rear crash cae design & analysis co Optimized structure rear crashOptimized structure front crash2008-5-
9、3110凸轮轴减震器优化y 问题描述：f 凸轮轴减震器为超弹性材料f 需要在凸轮轴减震器上面开装配孔需要在凸轮轴减震器上面开装配孔f 要求扭转刚度、寿命不能降低 cae design & analysis co 凸轮轴减震器优化y 优化结果f 体积略有增加f 刚度几乎没改变刚度几乎没改变f 寿命提高 cae design & analysis co 2008-5-3111Tosca培训案例y S01-悬臂梁拓扑优化y S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y S04-U形板拓扑优化 +最大最小尺寸约束y S05-拉钩拓扑优化 +铸造约束y S06-多工况拓扑
10、优化y S07-平板频率最大化 cae design & analysis co 平板频率最大化y S08-多目标拓扑优化S01-悬臂梁拓扑优化cae design & analysis co 2008-5-3112S01-悬臂梁拓扑优化y 问题描述f 悬臂梁左端固定 x向位移，左下角固定 y位移，右下角加载 40Ny 优化目标f 在体积约束下最大化整体刚度（最小柔度设计）y 训练目标 cae design & analysis co f 使用 Wizard，了解 Tosca拓扑优化基本流程f 了解 Tosca各个组成模块f 了解优化算法选择S01-悬臂梁拓扑优化y 1. 打开 Tosca，点
11、击 File Tosca.Wizard cae design & analysis co 2008-5-3113S01-悬臂梁拓扑优化y 2. 选择拓扑优化 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 3. 点击 Next，选择计算卡片（ airbeam.bdf），输入注释信息等 cae design & analysis co 2008-5-3114S01-悬臂梁拓扑优化y 4. 点击 Next，设置优化空间 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 5. 点击 Next，设置体积约束小于等于 45% cae design &
12、 analysis co 2008-5-3115S01-悬臂梁拓扑优化y 6. 点击 Next，创建一个新 Group，作为冻结区（右图） cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 7. 点击 Finish，完成向导设置，通过左边模型树可以查看各种设置 cae design & analysis co 2008-5-3116S01-悬臂梁拓扑优化y 8. 保存文件，进入 Start Tosca 模块f 选择求解器，点击 Start Tosca进行拓扑优化 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 9. 后处理f 经过 50次迭
13、代，优化停止f 进入 Tosca Post后处理程序进入 后处理程序f 选择 Type为 Topo_Matf 选择 Cycle为 Allf 点击 Start Tosca.Post进行后处理f 结束之后点击 View VTF即可查看拓扑优化结果 cae design & analysis co 2008-5-3117S01-悬臂梁拓扑优化y 后处理模块截图 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 10. 拓扑优化结果 cae design & analysis co 2008-5-3118S01-悬臂梁拓扑优化结果 cae design & analysis
14、co GLview 3D Plug-inS01-悬臂梁拓扑优化y 11. 利用 Tosca.Smooth导出拓扑优化结果f 选择 Tosca.Smooth模块f 点击右上角 Select Job 选择 airbeam par点击右上角 ， 选择 .f 之后 FEM File和 Optimization Results会自动关联（可以手动更改）f Iso Value采用默认 0.3 （可以更改）f Output Format可根据需要选择，如输出几何，则可选择 igs，如输出到 Patran则可选择 bdf，若只用 Tosca.View则选择 vtff 点击 Start Smooth开始平滑处理
15、，若选择输出 vtf，则可点击 view vtf进行查看 cae design & analysis co 2008-5-3119S01-悬臂梁拓扑优化y 平滑效果如下 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 12. 切换拓扑优化算法f 默认优化算法为 Controller算法，现在通过 Opt_Param命令切换到 Sensitivity Based算法 cae design & analysis co 2008-5-3120S01-悬臂梁拓扑优化y 参数说明f FILTER_RADIUS灵敏度滤波半径f MAT INTERPORATION 材料插值模型
16、可以选 SIMP或者 RAMP_INTERPORATION材料插值模型 ， 或者f MAT_PENALTY密度惩罚因子，默认为 3y 13. 以上参数都按默认处理，另存为“ airbeam_sens.par”y 14. 切换到 Start Tosca进行优化y 15. 查看优化结果，与 Controller算法结果进行对比 cae design & analysis co S01-悬臂梁拓扑优化y 结果对比 相差很小控制算法 cae design & analysis co 灵敏度算法2008-5-3121S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束cae design & analysis co To
17、sca中的对称约束类型没有对称轴对称点对称旋转对称 cae design & analysis co 周期对称区域对称2008-5-3122S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 问题描述f 在 S01的基础上增加轴对称约束y 优化目标f 在体积约束下最大化整体刚度（最小柔度设计）f 考虑轴对称约束y 训练目标f 了解 Tosca命令操作f 了解 Tosca对称约束类型 cae design & analysis co S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 1. 打开 airbeam.par并另存为 airbeam_sym.pary 2. 定义参考坐标系，点击 Command-CS_DEF，设置
18、如图， create cae design & analysis co 2008-5-3123S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 3. 定义对称面， Command-LINK_TOPO，设置如下， create cae design & analysis co S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 4. 定义对称约束， Command-DVCON_TOPO，设置如下， create cae design & analysis co 2008-5-3124S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 5. 修改优化设置，点击左边 TOPOLOGY_OPTIMIZATION，在 DV Constrain
19、ts框添加 DVCON_SYM，点击 Modify cae design & analysis co S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 6. 增加停止准则，点击左侧 Stop，设置最大迭代次数为 40，如下， Create cae design & analysis co 2008-5-3125S02-悬臂梁拓扑优化 +对称约束y 7. 保存修改，切换到 Start Tosca模块，开始优化y 8. 优化结束之后，切换到 Tosca Post模块进行后处理y 9. 查看结果 cae design & analysis co S02-优化结果 cae design & analysis co
20、 GLview 3D Plug-in2008-5-3126S03-U形板拓扑优化 +自适应网格cae design & analysis co S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y 背景f 对于较大规模问题，如果一开始就采用十分精细的网格，则每次分析时间特别长，拓扑优化计算效率较低f 若采用自适应网格技术，即在优化开始时用粗网格进行建模，随着优化过程的进行，对保留下来的结构进行精细划分，则可较大的提高计算效率，并且使得优化结果同样精细y 注意f 自适应网格技术只能在 Control算法中使用 cae design & analysis co 2008-5-3127S03-U形板拓扑优化 +自
21、适应网格y 问题描述f U形板顶部角点固定，开口处受 100N的张力优化目标y 优化目标f 在体积约束下最大化整体刚度（最小柔度设计）f 优化过程中不断细化网格y 训练目标f 了解 Tosca的 Mesh_Refine命令操作f 了解如何提高优化效率 cae design & analysis co S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y 1. 用向导完成基本设置f 输入文件“ u_plate.bdf” f 体积约束 40%体积约束 f 保存为” u_plate.par”y 2. 修改参数文件f 增加 Mesh_Refine命令，设置如下页所示y 3. 修改 Optimize设置f 点击左边
22、TOPOLOGY_OPTIMIZATION，在 Mesh Refine项中选择MY MESH REFINE cae design & analysis co _ _y 4. 增加全局收敛准则f 控制最大迭代次数为 402008-5-3128S03-U形板拓扑优化 +自适应网格 cae design & analysis co S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y 5. 在 Standard Output选中 Onf All Iterationsy 6. 切换左边参数模式为 Text，在 FEM_INPUT模块下增加 END_SOLVERy 7. 保存，切换到 Start Tosca模块，进行
23、优化y 8. 进入 Tosca Post进行后处理y 9. 查看结果 cae design & analysis co 2008-5-3129S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y 10. 拓扑优化结果 网格被细化了 cae design & analysis co S03-U形板拓扑优化 +自适应网格 cae design & analysis co GLview 3D Plug-in2008-5-3130S03-U形板拓扑优化 +自适应网格y 11. 作为练习f 可以去掉 Mesh_Refine命令，重新进行计算，对比优化结果 cae design & analysis co S04-U形板拓扑优化 +最大最小尺寸约束cae design & analysis co
