LS-TaSC主要對具有大變形、動態載荷、接觸條件等非線性問題進行結構拓撲優化或形狀優化，支持Windows和Linux操作系統。目前LS-TaSC面對所有LS-DYNA用戶免費開放，用戶可從https://ftp.lstc.com/user/ls-tasc/下載最新版本，2023R1版本已于今年3月份正式發布。

本文將介紹LS-TaSC的主要功能、結構設計優化問題種類、采用的技術和算法、以及結構制造工藝約束的定義。隨后介紹LS-TaSC 2023R1最新發布的功能，包括:

• 基于殼單元厚度的結構模態設計優化；

• 基于殼單元厚度的結構多學科設計優化；

• 支持用戶采用其它有限元軟件的分析結果和靈敏度數據進行結構設計優化計算；

• 針對一體鑄造結構部件的最小和最大尺寸控制約束；

• LS-TaSC在汽車結構部件設計優化方面的應用案例。

LS-TaSC概述

LS-TaSC面對所有LS-DYNA用戶免費開放，用戶可從https://ftp.lstc.com/user/ls-tasc/下載。LS-TaSC支持Windows和Linux操作系統，2023R1版本已于今年3月份正式發布。

LS-TaSC全面支持與LS-DYNA、LS-PrePost以及LS-OPT圖形用戶界面的集成使用，例如：

（1）LS-TaSC在優化計算過程中自動調用LS-DYNA進行有限元分析并提取計算結果進行優化設計計算；

（2）通過LS-TaSC用戶界面可直接調用LS-PrePost對有限元模型進行修改，也可以對當前迭代設計結構的有限元分析結果進行可視化；

（3）LS-TaSC可作為LS-OPT設計流程中的一個求解模塊，與LS-OPT聯合對某些復雜的多層次優化設計問題進行計算。

LS-TaSC主要對具有大變形、動態載荷、接觸條件等非線性問題進行結構拓撲優化或形狀優化。目前，LS-TaSC能夠處理數百萬個單元的大型模型，其優化算法可求解多載荷工況、多學科問題，并且可以有效地處理全局約束條件實現設計目標最優。

LS-TaSC目前可求解三類不同類型的結構優化問題，第一類是結構拓撲優化，在給定的設計區域內尋求最佳的材料分布。這類問題以每個單元的相對密度作為設計變量，通過多次優化迭代計算得到新的材料分布以及新的結構形狀。LS-TaSC的結構拓撲優化技術支持多個結構部件的設計，特別適合求解多約束、多載荷工況，多學科設計優化問題。

第二類問題是拓撲尺寸優化，通過設計薄壁結構的厚度分布來滿足結構的強度、頻率等要求。

第三類問題是形狀優化，LS-TaSC的形狀優化技術主要采用自由表面設計方法來修正結構表面的形狀，使得結構的表面具有均勻的應力，從而減少或消除應力集中問題。

LS-TaSC利用靈敏度和多個優化算法尋找最優結構設計。

首先，在靈敏度分析方面，LS-TaSC可根據工況類型自動選擇計算數值梯度或解析梯度，也可以直接采用用戶提供的梯度進行優化計算。對于數值梯度的計算，LS-TaSC采用多點算法構建結構響應的代理模型，從而得到近似的梯度值。

其次，在優化算法方面，LS-TaSC對結構拓撲優化提供兩種優化算法：一種是優化準則法，主要適用于求解動載荷問題；另一種是映射子梯度算法，主要適用于求解包含碰撞、靜力和模態分析的多學科優化問題。對于結構形狀優化，LS-TaSC采用自由形狀設計方法，通過非參數化技術修改設計模型的外表面，得到具有均勻表面應力的結構。

為了滿足結構的制造工藝約束要求，LS-TaSC提供了多種幾何構型和制造工藝約束條件的定義，包括對稱約束、拉伸約束、單面鑄造約束、雙面鑄造約束、以及擠壓和循環對稱約束。

上圖展示了LS-TaSC采用不同的制造工藝約束或者多種制造工藝約束的組合，對結構進行設計優化的案例。

第一個案例（左側）描述的是在兩個載荷工況共同作用下的承重梁，分別在ZX平面和YZ平面上增加結構幾何對稱約束，并在Z方向上增加拉伸（擠壓成形）約束，得到的最優拓撲結構。

第二個案例（中間）展示的是一個開瓶器的拓撲優化設計，結構在模型的Y方向上增加了拉伸約束。

第三個案例（右側）展示的是轉向臂的拓撲優化設計，在轉向臂的兩側增加了雙面鑄造約束。

LS-TaSC的優化結果將以STL文件的形式進行保存，該文件可以直接導入Ansys SpaceClaim，ANSA，或者其它的CAD軟件，將優化后的幾何模型轉化成CAD模型。

LS-TaSC 2023R1新功能

LS-TaSC 2023R1支持基于殼單元厚度的結構模態設計優化，主要是對結構中殼單元的厚度進行設計，使結構的一階模態最大化，同時滿足一個或多個特征頻率約束要求。在設計過程中，可以采用模態追蹤技術，或者選擇某個特定的頻率作為設計目標，同時滿足不同的頻率設計需求。上圖案例展示了一個四邊固定的方形板的模態設計優化結果，設計的要求是使結構的基頻模態最大，第二階的頻率高于800赫茲，從結果看約束條件滿足得很好。

LS-TaSC 2023R1支持基于殼單元厚度的結構多學科設計優化，即針對結構在碰撞、靜力和模態三個不同工況下的結構設計優化。若想增加某個工況的重要性，可以在該工況下定義一個或多個結構響應約束來強調工況的重要性。上圖案例為四邊固定的方形板，在滿足剛度和模態的要求下的設計結果。最優結構的基頻模態已達到最大化，并且，在靜力載荷情況下，它的位移約束也得到了滿足。

LS-TaSC 2023R1支持用戶采用第三方有限元軟件的分析結果和靈敏度分析數據進行結構設計優化計算。結構為實體單元或殼體單元都可以，但使用該功能需要滿足一定的條件。第一個加載工況必須是基于LS-DYNA的計算結果，且每個工況僅能有一個優化目標。用戶定義的工況必須以“USER_”開頭命名，用戶需要提供優化目標的梯度，若存在約束條件，還需提供該約束條件的值及約束的梯度。在用戶提供的數據文件形式上，LS-TaSC支持JSON和LS-DYNA的關鍵字文件形式。

針對一體鑄造mega-casting，LS-TaSC 2023R1可以設置結構部件的最小以及最大的尺寸控制約束，通過用戶界面的Geometry definition中選項Thickness control，可以定義minimum thickness及maximum thickness值，并在Method選項卡Thickness上定義施加尺寸約束的時間和施加尺寸約束的方式。

應用案例-汽車零部件設計

案例一：汽車B柱側碰設計案例

將某簡化的B柱模型分成四個部件，在結構剛度最大化和質量最小化目標下增加兩個位移約束條件，得到的計算結果顯示約束條件滿足得很好。

案例二：對比碰撞和模態兩個工況下的Crash Box吸能盒多學科設計優化案例

中間案例顯示了單個碰撞工況下的結構設計，尋求Crash Box質量最小并滿足約束的最優結果。最右側案例展示了，碰撞工況與模態工況同時作用的情況下，Crash Box結構需要同時滿足三個約束條件后得到的最優計算結果。

最優計算結果的碰撞仿真動畫。左側動畫為碰撞工況條件下，分別用殼體單元和實體單元得到的設計結果仿真動畫對比，結果吻合非常好。右側動畫為碰撞和NVH兩個工況同時進行優化后得到的碰撞（右上）及模態（右下）的最優解的仿真動畫。

案例三：汽車引擎蓋多學科設計優化

汽車引擎蓋設計需要考慮多個不同的設計要素，Head injury criterion（HIC）頭部受傷程度，deflection of the hood引擎蓋的變形位移，以及maximization of energy absorption最大的能量吸收。對于引擎蓋考慮碰撞、靜力及模態三個工況同時作用，且結構需滿足4個約束條件，最終結果如左下角動畫所示。從迭代歷史圖中數據可以看到，約束條件都滿足得很好。

案例四：汽車引擎蓋在最差工況下的MDO設計

該設計基于歐洲的NCAP設計要求而提出。根據要求，需對引擎蓋在不同的考察碰撞點上進行MDO設計，如左圖所示需考慮16個碰撞點的優化設計，而這可能導致巨大的計算量。為解決計算量大的問題，開發團隊提出最差工況Worst-case計算策略，分別對每個碰撞點進行MDO設計。首先只考慮HIC頭部受傷程度約束，分別對16個點進行MDO設計，隨后將所有的計算結果疊加到一張云圖上，從而找到最大的引擎蓋變形位移碰撞點并記錄位置（中上圖）。其次，只考慮引擎蓋的變形位移，不考慮HIC頭部受傷程度約束，分別對16個碰撞點進行MDO的設計。同樣的，將所有的計算結果疊加得到另一個云圖（中下圖），找到HIC值最大的碰撞點，并記錄。得到這2個位置之后，為增加結構的剛度，可以額外增加一個均勻分布的載荷力工況。在三個工況同時作用下求解優化問題，使得引擎蓋質量最小，并滿足HIC和引擎蓋變形最大位移的約束。計算結果如右上所示，右下兩張圖表分別為HIC的迭代歷史圖，以及引擎蓋變形位移的迭代歷史圖，可以看到計算結果相當好。

小結

LS-TaSC擁有求解大規模結構模型的非線性問題的結構優化設計的能力，它可以高效地求解多約束、多載荷工況、多學科的結構優化問題，可以對復雜有限元結構進行拓撲優化、拓撲尺寸優化和形狀優化，非常方便設計工程師根據不同的設計需求進行創新設計。

---

更多內容分享，歡迎關注我們！

文章來源：2022 第五屆LS-DYNA技術論壇，作者：易桂蓮博士，ANSYS, Inc. Senior R&D Engineer

視頻鏈接：LS-TaSC概述及2023R1新功能介紹

技術校對：王強， Ansys高級應用工程師；整理編輯：俞琴