"a completely new front axle-wheel brake concept was developed in a short space of time and resulted in a large order."

Joachim Noack
Team Leader, Structural and Thermal Analysis FEA, TRW Automotive GmbH.
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结构拓扑和形状优化 TOSCA™

TOSCA是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构和流体拓扑形状优化设计软件，目前已被广泛应用于汽车、航空、机械制造、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。其中，TOSCA Structure 是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化；TOSCA Fluid是面向流体的无参形状优化技术，适合于复杂流道的形状设计。

选购理由

由于残酷的市场竞争和用户不断提高的要求，提高产品质量、缩短开发周期和节约开发成本已经成为当今设计的主流。从工程角度讲，结构拓扑优化用于在结构设计的初始阶段为设计者提供一个结构布局上的最优方案，然后在这个基础上进行详细设计（从结构优化角度讲，进入到零件的形状优化和尺寸优化阶段）。由于结构拓扑的改进带来的效益十分可观，因此结构拓扑优化技术已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、消费品、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。
结构拓扑优化，其优化变量一般为杆系结构的节点布局、节点之间的杆件连接关系，或连续体开孔的数量及位置等。结构拓扑优化也就是指在给定设计空间、支承条件、载荷条件和某些工艺设计要求（平衡、应力、位移、动响应等约束条件）下，确定结构单元、节点及内部边界的最佳空间连接方式和载荷的最佳路径，使某种要求的性能指标（重量最轻、造价最低等）达到最优的过程。

产品模块

技术特色

开放架构、支持各种CAD/CAE接口：

有限元求解器：ABAQUS, ANSYS, MSC.Nastran, I-DEAS, MSC.Marc和PERMAS等求解器
前后处理器：ABAQUS/Viewer, ANSYS, MEDINA, FEMAP, I-DEAS, MSC.Patran等前后处理器
CAD: 包括stl格式和igs格式等
全面支持非线性分析：包括材料非线性、几何非线性以及边界条件非线性
考虑接触：对优化区域边界的外部及附近区域进行接触定义
考虑加工、工艺约束：包括拔模、铸造、冲压、对称等约束等
网格自适应，优化过程对载荷和约束条件没有数量限制
支持并行计算求解,及Unix、Linux和NT操作系统

结构拓扑优化(TOSCA.Structure-Topology)：在给定的设计空间内，根据指定的所有加载和边界条件计寻求最佳的材料分布,为后期详细设计打下基础。通过Tosca中先进的网格自适应优化技术

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；
满足工艺要求和对称条件；

结构外形优化(TOSCA.Structure-Shape)：在应力分析基础上，对结构的表面几何形状进行修正和改进，直到达到要求的应力水平为止

减小应力集中；
改善结构耐久性；
提高自然频率；
满足工艺要求和对称条件；

加强筋优化(TOSCA.Structure-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加强筋优化以提高其刚度和自然频率或者降低噪音和振动

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。

结构平滑(TOSCA.Structure-Smooth)：将优化后的材料分布进行平滑，输出为CAD及多种中间格式（比如：IGES,STL, FE表面网格、VRML, Patran Neutral)格式。
流道形状优化（TOSCA.Fluid):对各种流道的形状进行优化，在满足装配等约束下，降低进出口流道的压降,可用于发动机、空调管道的形状优化。

成功案例

轮毂累疲劳特性和减重优化（宝马汽车）

通过TOSCA调用ABAQUS结构分析和FEMFAT疲劳分析软件，优化低应力区的疲劳特性和高应力塑性区的变形。经过大约5次优化，令悬挂臂安装部分的壁厚以1～2mm为单位变化，得到了在将重量减轻约1.6%的同时，使累积损伤度降低了60％。另外还将塑性变形减轻了9％。宝马公司还把疲劳特性及塑性变形的性能提高部分充分转化为重量的降低。