前言:TOSCA Structure軟件概述
為了適應(yīng)愈加殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(fù)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(dá)到全面提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)軟件系統(tǒng),目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)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(jìn)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(diǎn)
TOSCA Structure是標(biāo)準(zhǔn)無參結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),可以對(duì)具有任意載荷工況的有限元模型進(jìn)行拓?fù)洹⑿螤詈图訌?qiáng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的每一迭代過程均在外部求解器中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,通過采用眾多業(yè)界認(rèn)可的優(yōu)化器進(jìn)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(diǎn)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(xùn)來熟悉另外一個(gè)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(jì)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(gè)模塊組成。以下將分別介紹上述模塊的功能和特點(diǎn)。
TOSCA Structure.topology-拓?fù)鋬?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(jì)原則。該設(shè)計(jì)原則是指確定基于載荷、位移邊界條件以及可選設(shè)計(jì)空間內(nèi)的一個(gè)設(shè)計(jì)解。該設(shè)計(jì)解在滿足設(shè)計(jì)要求如強(qiáng)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(jì)空間中,根據(jù)指定的所有加載和邊界條件計(jì)算出一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案,該方案即可作為一個(gè)設(shè)計(jì)初始樣機(jī),為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)過程打下基礎(chǔ)。
TOSCA Structure.topology模塊的功能特點(diǎn):
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(jì)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(biāo)、多約束問題的能力;
滿足工藝加工要求;
網(wǎng)格自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù);
材料分布等勢(shì)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(jìn)行進(jìn)一步處理;
圖2.1 Audi公司汽車聯(lián)接臂的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
TOSCA Structure.shape-形狀優(yōu)化模塊
概念設(shè)計(jì)階段的下一階段是設(shè)計(jì)的改進(jìn)過程。在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)的表面幾何形狀進(jìn)行不斷的修正和改進(jìn),直到達(dá)到要求的應(yīng)力水平為止。該過程過去通常采用試做方法手工進(jìn)行。但是TOSCA Structure.shape模塊可以自動(dòng)完成該改進(jìn)過程。現(xiàn)存的需要改進(jìn)的設(shè)計(jì)或者前面拓?fù)鋬?yōu)化過程的結(jié)果的表面形狀會(huì)在有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的改進(jìn),直到達(dá)到要求的優(yōu)化目標(biāo)。
TOSCA Structure.shape模塊的功能特點(diǎn):
減小應(yīng)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(jì)
TOSCA Structure.bead-加強(qiáng)筋優(yōu)化模塊
TOSCA Structure.bead 采用德國卡爾斯魯厄大學(xué)制造發(fā)展協(xié)會(huì)(IPEK)開發(fā)的算法庫對(duì)金屬板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)筋優(yōu)化以提高其剛度和自然頻率或者降低噪音和振動(dòng)。
TOSCA Structure.bead模塊的功能特點(diǎn):
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(jì)算結(jié)果清晰明確,能夠被精確制造;
圖2.3 油底殼加強(qiáng)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?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果中得到材料分布的等勢(shì)面,然后對(duì)該等勢(shì)面進(jìn)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(diǎn):
拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的材料分布等勢(shì)面計(jì)算;
外形平滑化并簡(jiǎn)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(jiǎn)化;
圖2.4拓?fù)鋬?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(jì)中用來定義任務(wù)、開始運(yùn)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(diǎn):
獨(dú)立的Java控件平臺(tái);
從有限元模型中輸入節(jié)點(diǎn)和單元體系;
生成TOSCA所需的新的或者改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化任務(wù)的框架技術(shù);
具有TOSCA各個(gè)模塊間的任務(wù)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(yīng)用
案例實(shí)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(biāo),45%體積比約束。考慮到加工因素,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(dòng)命令和自動(dòng)向?qū)煞N模式設(shè)置優(yōu)化模型。自動(dòng)向?qū)J骄哂幸子谏鲜謱W(xué)習(xí)、步驟清晰等優(yōu)點(diǎn)。
在TOSCA Structure.gui下點(diǎn)擊File菜單下的TOSCA.wizard,進(jìn)入向?qū)?biāo)準(zhǔn)步驟下的優(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?fù)鋬?yōu)化(Topology optimization)、形狀優(yōu)化(Shape optimization)和加強(qiáng)筋優(yōu)化(Bead optimization)三類。本算例選擇拓?fù)鋬?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(jì)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(jì)區(qū)域。
圖3.4 步驟3-設(shè)計(jì)變量區(qū)域
步驟4-優(yōu)化任務(wù)。如圖3.5所示,主要內(nèi)容為定義優(yōu)化目標(biāo)與約束條件。缺省優(yōu)化目標(biāo)為剛度最大化(Maximize stiffness)。其它優(yōu)化目標(biāo)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(diǎn)位移約束條件。本算例選擇剛度最大化為目標(biāo),體積比約束為45.0%。
圖3.5 步驟4-優(yōu)化任務(wù)
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(xiàng),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(diǎn)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(diǎn)擊左小角對(duì)應(yīng)的卡片可在不同模式間進(jìn)行切換。
圖3.9GUI界面
如圖3.10所示,切換至Start Tosca Structure界面,點(diǎn)擊Start TOSCA按鈕,運(yùn)行TOSCA Structure直至計(jì)算完畢。
圖3.10
案例實(shí)操2-支座的拓?fù)鋬?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(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì),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(jì) ,20%體積比約束,優(yōu)化區(qū)域采用平面對(duì)稱(對(duì)稱面與z軸垂直)。
拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖3.13~3.14所示,根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果得到的改進(jìn)結(jié)構(gòu)1,2如圖3.15~3.16所示。
圖3.13 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
圖3.14 拓?fù)鋬?yōu)化光順結(jié)果
圖3.13 改進(jìn)結(jié)構(gòu)1
圖3.14 改進(jìn)結(jié)構(gòu)2
對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,位移和應(yīng)力如圖3.15所示。
(a) 位移云圖
(b) 應(yīng)力云圖
圖3.15 改進(jìn)結(jié)構(gòu)有限元分析
責(zé)任編輯:xj
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