Tosca-全球出色的无参优化分析软件

达索SIMULIA公司(原Abaqus公司)是世界知名的计算机仿真行业的软件公司，其主要业务为世界上最著名的非线性有限元分析软件Abaqus、最著名的无参优化软件Tosca/有参优化软件Isight、疲劳分析软件Fe-safe进行开发、维护及售后服务。于2005年与法国达索集团合并，共同开发新一代的模拟真实世界的仿真技术平台SIMULIA。SIMULIA不断吸取最新的分析理论和计算机技术，领导着全世界非线性有限元技术和仿真数据管理系统的发展。

图1 达索SIMULIA软件体系

1.1. 软件简介

TOSCA是标准的无参结构优化系统。软件分为Tosca Structure结构优化和Tosca Fluid流体优化两大模块。

图2 Tosca Structure结构优化和Tosca Fluid流体优化

Tosca Structure结构优化支持Abaqus/CAE，可在Tosca Structure.gui中设置运行优化任务，也可在Tosca ANSA环境（TAe）中图形化设置运行优化任务。另外，ANSYS Workbench中也支持Tosca Structure。

图3 Tosca Structure结构优化

Tosca Fluid流体优化采用单一的CFD求解器，通过可用的设计空间以及从分析到设计的快速转变达到设计目标。

图4 Tosca Fluid流体优化

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、形状、条纹、尺寸优化。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。Tosca软件由DS SIMULIA公司完成开发设计。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。

 

    图5 采用Tosca软件进行优化设计

Tosca优化通过进程实现：

1.         模拟过程在进城中是单步骤的一个数据点：建模，求解接着检查结果

2.         通过优化寻求最优解，以此追求最完美工程设计

3.         传统优化依靠经验和既有数据手工优化

a)         Tosca自动为搜索最优结果提供强有力的支持

b)        通过精巧的优化算法提供有效结果

图6 Tosca软件优化迭代过程

2. 软件模块

Tosca Structure结构优化有四个核心模块，分别为Tosca Structure.topology拓扑优化模块、Tosca Structure.Sizing尺寸优化模块、Tosca Structure.shape形状优化模块、Tosca Structure.bead条纹优化模块。Tosca Fluid流体优化主要为Tosca Fluid.topology拓扑优化模块。

7 Tosca软件核心模块

2.1. 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7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。

                                                                   图8 Tosca.gui的用户图形界面

                                                         图9 在Tosca.gui中进行优化任务

2.2. 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。

图10 横杆的优化设计（照片获得Audi公司准许）

2.3. 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。

图11 与接触基础上的连杆形状优化

2.4. Tosca.bead——Tosca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。

图12 某型薄板条纹频率优化实例

2.5. Tosca.sizing——Tosca尺寸优化模块

尺寸功能主要的设计变量是壳单元的厚度，优化过程采用严格的灵敏度计算，CPU时间和迭代次数独立于设计变量的数量。设计变量可以应用传统的刚度、质量、和模态特征频率等。此功能可以应用于典型的工程优化任务，例如多个载荷时满足刚度要求下的质量最小化，或者给定质量下的特征频率最大化。

                  13 焊接框架和钢板结构的尺寸优化应用

2.6. 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。

               左下：材料分布的等势面；右下：光滑处理和数据削减后的等势面

2.7. 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：

1)        基于耐久性分析基础上的形状优化

图14为一装配体初始设计----拓扑优化轻量化、刚度优化----新优化验证分析----形状耐久性设计优化过程，最终得到了一轻量的、拥有足够刚度的、满足耐久性要求的新设计。

1)        具有不同优化目标的多重优化域

2)        基于几何非线性分析基础上的优化过程

对于几何非线性拓扑优化，可能会出现有限元求解错误。Tosca提供Soft delete移除高度扭曲低密度单元。

1)        使用非线型材料的优化过程

5)        使用非线型材料的优化过程

2.8. Tosca-ansa——Tosca软件内嵌的ansa前后处理模块

Tosca.gui不能可视化前后处理、优化进程，Tosca软件内嵌通用前后处理软件Beta cae systems模块Ansa，通过Tosca-ansa来实现可视化前后处理、优化进程功能。

1.         Tosca-ansa主要特点有：

2.         优化任务交互式前处理

3.         GUI的可视化进行优化工作的开始和启动

4.         GUI的可视化获取后处理信息

5.         优化结果自动验证

6.         基于ANSA技术的用户图形界面

2.9. Tosca接口模块

Tosca支持市面上大多数的求解器，例如Abaqus，ANSYS，I-deas等。

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Isight 全球仿真分析流程自动化和多学科多目标优化软件

Isight软件产品介绍

CAE仿真分析已经在汽车工业设计中得到了广泛的实施与应用，在帮助减少产品设计周期，降低产品设计成本方面起到了重要的作用。但是，简单的执行单一的CAE分析，只能起到以仿真替代实验的目的，验证设计的有效与否；而进行CAE分析最核心的目的是通过仿真分析来指导或修改产品设计，使其满足甚至超过最初的设计目标，而要实现CAE分析的此目的，多学科多目标设计空间探索与优化是一个必不可少的工具。

Isight提供了一个可视化的灵活的仿真流程搭建平台，同时提供与多种主流汽车行业CAE分析工具的专用接口，利用此工具，用户可以方便的以拖拽的方式可视化的快速建立仿真分析流程，设定和修改设计变量以及设计约束与目标，自动进行多次分析循环。同时提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格玛设计等一套完整的优化软件包，来帮助用户深入全面的了解产品的设计空间，明晰设计变量与设计目标之间的关系，以及实现多学科多目标优化设计。

可视化的仿真流程搭建

Isight构建仿真流程时，从组件库中取用需要的组件，通过图形界面装配成工作流；对工作流模型的结构没有任何限制，支持条件分层等复杂设计工作流的驱动；并可以根据数据关系自动生成参数数据流(dataflow)以监控组件间的数据(参数和文件)传递。不同学科可以搭建自己的仿真流程并与其他学科共享，实现多学科仿真流程的构建。

                   成熟的第三方软件接口

Isight提供了大量成熟的第三方软件接口，以图形化无缝的方式实现对设计、分析工具的集成。这些接口包括CAE工具Abaqus, Nastran, STAR-CCM+，ADAMS，DYNA, MYDYMO, ANSA 等，CAD工具Catia，还有Matlab, Excel等众多工程分析中经常使用的相关工具。同时也支持与企业自有的特殊工具软件集成。

Isight组件接口列表：

专业的优化策略

Isight提供了大量专业的多学科多目标优化策略，包括：实验设计(DOE)，优化算法(单目标，多目标优化算法)，近似模型，稳健可靠性分析与优化等。这些方法帮助设计人员搜寻不仅理论上可行，而且实际上（如考虑制造工艺）也同样可行的最优设计方案。

实验设计(DOE)方法可以帮助用户了解和评估各个设计变量对设计目标的影响，便于进行设计参数的筛选以减少优化问题规模，同时为构造近似模型提供样本数据库，亦可得到优化设计的粗略估计。Isight提供多种实验设计方法：全因子法，部分因子法，Box-Behnken法，中心复合法，正交数组法，超拉丁方法，优化拉丁方法，参数试验，与自定义实验表等。

Isight提供了包括数值优化、全局探索法、启发式优化法和多目标多准则优化算法，以帮助客户进行多学科多目标优化分析。Isight提供的高效率的数值优化算法包括Hook Jeeves模式搜索法，简约下降梯度法，序列二次规划法，修正可行方向法，单纯型下山法， 整数规划法，满应力法等；并提供适应于多峰问题的全局优化探索方法，如多岛遗传算法，自适应的模拟退火法等；针对多目标权衡问题，提供了多种多目标遗传算法以及粒子群法获取Pareto解集，还专门提供了一个多目标决策工具：工程数据挖掘模块以辅助多目标多准则权衡决策。

近似模型帮助用户快速拟合生成数学代理模型，从而避免在需要多次迭代计算的优化工程中运行大规模的CAE分析模型。近似模型可以与多种策略进行组合，包括：DOE，Optimization，Monte Carlo，质量方法等。Isight提供的近似模型包括响应面模型，正交多项式近似，径向基神经网络模型，以及Kriging模型。

Isight提供的质量工程方法主要包括：蒙特卡洛分析可以有效评估设计的可靠性与稳健性；基于可靠性优化设计的SDI方法可以提高设计的可靠度水平；（动态、静态）田口(Taguchi)方法则以实验设计为基础获取稳健的设计；六西格玛设计方法则是质量工程中的公认的规范性方法。

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FE-SAFE第一个商用疲劳寿命评估软件

 软件概述

    FE-SAFE是一款高级疲劳耐久性分析和信号处理的软件，它是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分析软件之一。

FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 软件具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，完整的输出疲劳结果。

FE-SAFE由用户界面、材料数据库管理系统、疲劳分析程序和信号处理程序组成。FE-SAFE读取有限元分析计算出的单位载荷或实际工作载荷下的弹性应力，然后根据实际载荷工况和交变载荷形式将结果比例迭加以产生工作应力时间历程；也可换算成特定类型载荷作用下的弹塑性应力。

1. 软件主要功能

（1）FE-SAFE是真正实现CAE分析、疲劳试验与疲劳设计于一体的高级结构疲劳耐久性分析和信号处理专用软件，其界面友好，方便易用。

（2）FE-SAFE一直是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进、求解高效、功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分析软件。可利用应力—寿命曲线、应变—寿命曲线，并可使用局部应力—应变法进行单轴和多轴疲劳分析。

（3）FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。

（4）FE-SAFE具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与处理功能、丰富先进的疲劳算法以及完整的疲劳结果输出。

（5）FE-SAFE支持无限寿命疲劳设计、有限（安全）寿命设计、疲劳耐久性设计、疲劳可靠性设计等工程疲劳设计方法。

（6）FE-SAFE能有效处理FEA分析的弹性应力结果和弹塑性应力结果，可组合多个载荷的时间历程。迭加多轴加载的时间历程，从而在模型的每个位置上都产生各个应力张量的复杂的时间历程。

（7）FE-SAFE可进行序列工况的疲劳分析，数据集序列可以是一个瞬态分析结果，也可以通过一系列离散事件来生成。

（8）FE-SAFE可对复杂的块数据载荷进行分析，对于每个载荷条件，生成载荷的有限元结果数据集循环块。

（9）FE-SAFE可定义载荷文件，其中可包含一系列载荷块，每一载荷块又可定义一系列的载荷历程或序列载荷数据的组合。序列载荷数据是由于结构承受随时间变化载荷而引起的应力变化数据。

（10）FE-SAFE中疲劳测试信号可进行幅值分析和频率分析处理。过滤掉小的载荷循环。

（11）FE-SAFE可根据功率谱密度数据进行振动疲劳分析，不同频率和幅值的信号可进行叠加。

（12）FE-SAFE可考虑冲压、拉延引起的残余应力对疲劳寿命的影响，能利用BS7608标准的应力—寿命数据进行焊接结构疲劳分析。

（13）FE-SAFE独有高温、蠕变疲劳分析功能，可考虑蠕变对疲劳的影响，应力应变响应与应变率和瞬时温度相关。

（14）FE-SAFE可计算微振磨损疲劳寿命。

（15）FE-SAFE可以快速研究高温疲劳。

（16）FE-SAFE可以考虑机加工及装配应力对结构寿命的影响。

（17）FE-SAFE可考虑构件表面光洁度影响、几何外形变化与缺口敏感性影响以及材料特性变化效应和不同载荷组合历史的影响。

（18）FE-SAFE可进行疲劳损失效率的统计分析。

（19）FE-SAFE可根据指定的设计寿命，计算出各个节点相对于设计寿命的安全系数。

（20）FE-SAFE支持批处理和命令行功能。

（21）FE-SAFE提供了方便的显示功能绘制材料数据和载荷历程。

（22） FE-SAFE可计算出在指定寿命下，模型上各部分不会破坏的可能性。

（23）FE-SAFE可从模型上一系列的载荷中找出对疲劳寿命影响最大的载荷及载荷方向。

（24）FE-SAFE根据载荷情况和材料数据自动选择最合适的疲劳分析方法。

2. 软件模块介绍

l  用户界面

用户界面友好，可方便地进行疲劳耐久性分析的数据准备；所输入的材料数据、载荷及载荷组合数据均可图示化显示，疲劳计算的结果可通过三维云图直观地显示。

可直接读入分析结果文件中的节点应力和节点温度等，从材料库中选取相应的材料，疲劳数据既自动定义完毕；对于材料库中没有的材料允许用户自己定义。寿命计算结果可用图形或动画显示，对数寿命、给定寿命下的安全系数均可以三维云图的形式直观的表示。

 材料数据库管理系统

提供了一个全面的材料疲劳特性数据库和数据库管理系统，含有上百种常用的材料疲劳数据，用户也可以根据需要扩充和修改该数据库，也可以对数据库进行查询。

如果有主数据库和用户本地数据库，两者都可以访问；系统管理员可以将主数据库设定为只读，以防止用户对主数据库的数据进行修改。

利用内置的Netscape Link可以访问试验报告及背景数据，在启动疲劳分析时程序可自动访问材料数据库，读入材料数据；用户数据可通过用户界面直接输入。程序还可绘制材料数据的多种类型的曲线。

在数据库中含有Seeger材料近似算法，允许利用材料的抗拉强度和弹性模量生成近似的材料疲劳数据，生成的数据可以指定一个数据集名并存入数据库。

 疲劳分析程序

可用多种载荷定义方式，简单的载荷历程、载荷历程叠加、序列载荷、复杂载荷等。

综合考虑多种疲劳影响因素，表面质量、真实残余应力、平局残余应力、焊接、温度等。

多种先进可选的疲劳算法，利用应力－寿命曲线进行单轴分析 － Goodman、Gerber平均应力修正；利用应变－寿命曲线进行单轴分析 － Morrow、Smith-

Watson-Topper平均应力修正；利用局部应力－应变法进行多轴疲劳分析，可分别考虑最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变及法向应变（适用于绝大多数金属材料）等。

在加载过程中当一个节点的主应力方向改变时，就使用临界平面法。对剪应变和Brown-Miller准则，使用q＝90°的平面和q＝45°的平面，每个平面以10°的间隔从f＝0°旋转到f＝180°扫描。对于正应变准则，使用q＝90°的平面，以10°的间隔从f＝0°旋转到f＝180°扫描。

定义载荷时间历程时，加载文件中的载荷条件可存储为以下格式的文件，以方便地与其它各种软件进行数据交换。准备单通道和多通道载荷历程，对载荷进行比例缩放，考虑峰/谷而忽略循环。ANSYS FE-SAFE 可处理多达4096个通道的载荷。

  信号处理程序

强大的信号处理功能，能够支持多种数据格式（如：*.dac、*.amc、*.txt、*.asc、*.etc等）

随机数据雨流矩阵柱状图，数据进行滤波，随机数据PSD普转化等数据处理方式。

  结果输出

FE-SAFE将节点的疲劳寿命写入输出文件中，如果指定设计寿命，将计算出各个节点相对设计寿命的安全系数；

生成一个文本文件，包含用户输入、分析类型、软件版本号和结果摘要；

3. 软件特色功能

  拥有基于应力应变测试信号的疲劳分析技术；

  支持弹性、塑性，单轴、多轴的应力和局部应变全面疲劳算法；

  丰富的材料疲劳数据库；

  支持各种载荷输入文件格式，并对载荷信号进行分析处理；

  概率疲劳计算载荷与材料服从某种概率分布时，在一定设计寿命下结构的生存概率；

  可以构造复杂的疲劳载荷谱；

  生成丰富的疲劳计算结果；

  界面操作易学易用；

  CAE接口：Ansys, Nastran, Abaqus, I-deas, Hypermesh, Pro/E Mechanical。

 

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链接：https://pan.baidu.com/s/18a5HzTP-h8jUZhtJbuBrNA

提取码：saiy

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