TOSCA--优化设计软件
Tosca软件由德国Fe Design公司完成开发设计，Tosca是标准的无参结构优化系统。使用该软件可以对具有任意载荷情况的有限元模型进行拓扑、外形和条纹优化。由于采用无参结构优化系统，不需要对模型参数化，因此减小了建模工作而且结构的优化更具弹性。该软件的优化标准是建立在最优标准基础上的优化算法，过程快捷灵敏。目前，已有德国奥迪公司和宝马公司等众多工业企业采用Tosca作为产品虚拟开发软件。
采用Tosca进行的结构优化是一个重复迭代过程。每一重复过程中元件的结构响应在外部求解器中进行求解。Tosca采用的外部求解器为工业认可的标准求解器，既保证了计算结果的高精度，又避免了不必要的重复投资，而且用户可以在自己熟悉的求解器环境和前后处理环境下工作，而不用培训来熟悉另外一个新的求解器。在优化过程中，可以直接使用已经存在的有限元模型。通过Tosca内部各程序的相互作用完成了结构在CAD系统中从概念到最优形状的优化设计闭环过程。
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图 1 采用Tosca软件进行优化设计
Tosca软件的特点如下：
n 独立有限元求解器和前后处理系统
n 支持实体、壳、膜单元优化过程
n 高效处理超大模型的优化
n 基于最优标准的快速、稳定优化算法
n 优化过程对载荷没有数量限制
n 采用用户图形界面Tosca.gui对优化过程进行定义，初期建模和后处理
n 支持ABAQUS, ANSYS, I-DEAS, MSC.Marc, MSC.Nastran和PERMAS求解器端口
n 支持ABAQUS/Viewer, ANSYS, FEMAP, I-DEAS, MEDINA, MSC.Patran后处理器端口
n 支持几何形状和材料非线性
n 对优化区域边界的外部及附近区域进行接触定义
n 重量、刚度和特征值的目标函数定义
n 支持多处理器求解调用
n 支持Unix和NT操作系统
n 网络方式注册
TOSCA软件的优点如下：
☆ 高效处理超大模型的优化；
☆ 基于最优标准的快速、稳定优化算法；
☆ 优化过程对载荷和约束条件没有数量限制；
☆ 采用用户图形界面Tosca.gui对优化过程进行定义、开始和后处理；
☆ 被优化区域内支持实体、壳、膜单元优化，非优化区域支持求解器所支持的所有单元类型；
☆ 支持非线性材料、接触和大变形优化分析；
☆ 可以对优化区域边界的外部及附近区域进行接触定义；
☆ 支持并行计算求解；
Tosca软件由Tosca.gui、Tosca.topology、Tosca.shape、Tosca.Advanced、Tosca.bead和Tosca.smooth几个不同的模块组成，在功能模块介绍页面将分别介绍这几个模块的功能。
目前Tosca已被广泛应用于汽车、航空、机械制造和加工工业等众多领域，并被奥迪、宝马等世界知名公司所采用，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。Tosca以其卓越的性能取得了良好的经济效益，得到了众多客户的一致好评，主要用户有：
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1. Tosca.topology——Tosca软件的核心优化拓扑模块的特色功能：
☆ 刚度不变前提下的体积最小化；
☆ 体积不变前提下的刚度最大化；
☆ 体积不变前提下的第一固频最大化；
☆ 不受载荷数目限制的非参优化技术；
☆ 满足工艺要求和对称条件；
☆ 网格自适应优化技术；
☆ 优化结果可以在Tosca.smooth中进行进一步处理。
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2. Tosca.shape模块的特色功能：
☆ 减小应力集中；
☆ 改善结构耐久性；
☆ 提高自然频率；
☆ 优化过程中采用自适应网格平滑技术；
☆ 满足工艺要求和对称条件。
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3. Tosca.bead模块的特色功能：
☆ 提高弯曲刚度或自然频率；
☆ 减少噪音和振动；
☆ 精确确定条纹的高度和宽度；
☆ 计算结果清晰明确，能够被精确制造。
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4. Tosca.smooth模块的特色功能：
¶ 拓扑优化结果的材料分布等势面计算；
¶ 外形平滑化并简化CAD输出结果数据；
¶ 输出为C A D系统的匹配文件格式；
¶ 输出为快速3D可视化的VRML文件格式；
¶ 输出为用作网格重新划分和分析的Patran Neutral格式文件格式；
¶ Tosca.shape外形优化结果输出及数据简化。
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◆ 奥迪A8前桥稳定杆连接的形状优化
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◆ Freudenberg凸轮轴减震器的优化
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◆ TRW Automotive刹车系统优化
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FB1 拓扑优化结果
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FB1 拓扑优化结果（铝制）
◆ 宝马曲轴优化
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1. Tosca.gui——Tosca软件的前处理模块
Tosca.gui是非常容易使用的结构优化定义、前/后处理的用户图形界面程序。如图1所示Tosca.gui在优化流程图中附加在有限元分析的前后处理过程中。
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图 1 Tosca.gui的用户图形界面
Tosca.gui具有下面的特点：
Ø 独立的Java控件平台
Ø 从有限元模型中输入节点和单元体系
Ø 生成Tosca所需的新的或者修改后参数文件
Ø 树形结构保证了Tosca各种功能的快速工作流程和清晰显示
Ø 定义标准拓扑优化任务的框架技术
Ø 完成向Tosca和Tosca.smooth的任务传递功能
Ø 向不同的后处理器输出结果
2. Tosca.Topology——Tosca软件的核心优化拓扑模块
新产品开发过程中的第一步工作是定义概念阶段结构的设计原则。该设计原则是指确定基于载荷、先决条件以及可选设计空间内的一个设计解。该设计解在满足设计要求如强度、刚度或者频率目标等基础上是相对于重量或者成本最优。Tosca.topology保证了设计者或者CAE专家在产品的早期概念阶段了解设计要求相对于重量的最优解。没有承担载荷的面积被从设计空间中去除。新的设计具有结构里的最优流动。拓扑优化结果可以用来作为设计工程师的最终产品设计。
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图 2 平板频率Tosca.topology优化设计
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图 3 横杆的Tosca.topology优化设计（照片获得Audi 公司准许）
Tosca.topology的产品特点
Ø 刚度不变前提下的体积最小化
Ø 体积不变前提下的刚度最大化
Ø 体积不变前提下的第一固频最大化
Ø 网格自适应优化
Ø 材料分布等势面的VRML, STL 或 FE-表面网格划分输出
Ø 在Tosca.smooth中对结果进行进一步处理
3. Tosca.shape——Tosca软件的形状优化功能模块
概念设计阶段的下一阶段是设计的改进过程。在应力分析基础上，对结构的表面几何形状进行不断的修正和改进，直到达到要求的应力水平为止。该过程通常采用试错方法手工进行。但是Tosca.shape模块可以自动完成该改进过程。给定有限元模型的表面形状会在有限元结果的基础上进行不断的改进，直到达到要求的优化目标。开始模型采用已存需要改进的设计方案或者前面拓扑优化过程的结果。
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图 4 基与接触基础上的连杆形状的Tosca.shape优化
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图 5 Tosca.shape优化
Tosca.shape模块的功能特点：
Ø 减小应力集中；
Ø 改善结构耐久性；
Ø 提高自然频率；
Ø 优化过程中采用自适应网格平滑技术；
Ø 满足工艺要求和对称条件。
4. Tosca.advanced——Tosca软件的高级功能选项
针对更高水平的优化要求，Tosca.advanced提供了特殊的功能。对于Tosca.topology 模块，采用Tosca.advanced功能能够实现单元网格的自适应细分，具有不同优化目标的多优化域。对于Tosca.shape模块。
Tosca.advanced 的主要功能有：
Ø 基于耐久性分析基础上的形状优化
Ø 接触应力均匀化处理的接触表面优化
Ø 具有不同优化目标的多重优化域
Ø 基于几何非线性分析基础上的优化过程
Ø 使用非线型材料的优化过程
5. Tosca.Bead条纹优化模块
Tosca.bead 采用德国卡尔斯鲁厄大学制造发展协会（IPEK）开发的算法库对金属板结构进行条纹优化以提高其刚度和自然频率，或者降低噪音和振动。
Tosca.bead模块的功能特点：
Ø 提高弯曲刚度或自然频率；
Ø 减少噪音和振动；
Ø 精确确定条纹的高度和宽度；
Ø 计算结果清晰明确，能够被精确制造
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图 6 Tosca.bead油盘优化设计
6. Tosca.smooth——结构形状光滑优化模块
在虚拟产品开发过程中，需要将优化结果返回到CAD系统中完成产品设计过程的闭环。Tosca.smooth可以将优化结果输入到大多数的CAD系统中去。从拓扑优化结果中计算得到材料分布的等势面。然后，对该等势面进行光滑和数据削减处理。最终得到的光滑优化表面可以以几种不同的形式输出。形状优化结果可以以相同的格式转为表面模型。
Tosca.smooth的主要功能：
Ø 拓扑优化材料分布的等势面计算
Ø 光滑和数据缩减
Ø 输出为CAD系统的匹配文件格式（STL，IGES）
Ø 输出为快速3D可视化的VRML文件格式
Ø 输出用作网格重新划分和分析的Patran中间文件格式
Ø 形状优化文件的格式转化和数据缩减
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图 7 Tosca.smooth优化
