形狀優(yōu)化可以對現(xiàn)有的設(shè)計進行特定的細節(jié)改進，通過形狀優(yōu)化給定模型的幾何表面可以被自動修改以避免造成材料失效并增加耐久性和舒適性。

1.什么是形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要通常使用在設(shè)計流程的末端，此時部件的總體設(shè)計或多或少都已經(jīng)固定，只允許進行較小的改變和改進。通常情況下，目標(biāo)函數(shù)是最小化應(yīng)力集中，基于應(yīng)力分析的結(jié)果對部件的幾何表面進行修改，直到滿足應(yīng)力水平，此過程通常是通過反復(fù)試驗和試錯手動完成。

Tosca形狀優(yōu)化允許次改進過程自動化，給定有限元模型的幾何表面根據(jù)有限元結(jié)果迭代修改，以此來滿足優(yōu)化目標(biāo)。初始模型從現(xiàn)有設(shè)計而來，其需要被修改，或者來自于之前的拓撲優(yōu)化。

Tosca形狀優(yōu)化允許用戶執(zhí)行以下任務(wù)：

--最小化等效應(yīng)力

--最大化選擇的自然頻率

--設(shè)定體積約束

--用于鑄造、鍛造、沖壓、擠壓和鉆孔的表面制造約束

--最小化和最大化構(gòu)建尺寸

--對稱約束

--通過有限元網(wǎng)格指定設(shè)計域約束

--在每個優(yōu)化循環(huán)中進行網(wǎng)格調(diào)整和網(wǎng)格光滑

--通過Tosca結(jié)構(gòu)耐久性可以在優(yōu)化是使用耐久性結(jié)果

--通過Tosca結(jié)構(gòu)非線性在優(yōu)化時可以使用非線性計算結(jié)果或者對接觸區(qū)域優(yōu)化。

2.模型

本教程中優(yōu)化的部件是一個連桿，可以再Tosca安裝目錄下找到次文件：安裝目錄/求解器/例子/形狀/conrod，創(chuàng)建的模型帶有自動生成的四面體網(wǎng)格，并關(guān)于XZ和YZ片平面對稱。網(wǎng)格質(zhì)量中等偏差，基本單元尺寸2mm。外形尺寸：180 x 84 x 24mm。允許設(shè)計和網(wǎng)格光滑的區(qū)域如下圖48所示。

加載點通過MPCs耦合到連桿安裝孔內(nèi)部，大眼內(nèi)的節(jié)點和內(nèi)半徑出的節(jié)點（曲軸承軸）在坐標(biāo)系的三個方向完全約束。

在這個模型上共有5個工況（見圖49）：

工況 1:

離心力（圖49中的a），Z方向施加15000N載荷，螺釘固定

工況 2

氣體壓力（圖49中的b），Z負向施加25000N載荷，固定大眼內(nèi)部的節(jié)點

工況 3

關(guān)于X軸彎曲，固定大眼內(nèi)部的節(jié)點

工況 4

關(guān)于Y軸的彎矩，固定大眼內(nèi)部的節(jié)點

工況 5

關(guān)于Z軸扭轉(zhuǎn)，固定大眼內(nèi)部的節(jié)點

（a）離心力，右邊：氣體壓力引起的載荷（b），關(guān)于X，Y，Z軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

3.優(yōu)化任務(wù)

優(yōu)化目標(biāo)是對部件的表面進行很小的改變來降低部件表面的應(yīng)力峰值，因此優(yōu)化任務(wù)是使連桿上計算工況的最大應(yīng)力最小，見圖49，設(shè)計區(qū)域見圖48，并包含內(nèi)部矩形區(qū)域的表面節(jié)點。

4.分步手冊：總結(jié)

如果你之前從來沒有使用過Tosca Structure.Gui，你應(yīng)該跳過次總結(jié)而直接進入詳細描述，如果你有使用Tosca Structure.Gui的經(jīng)驗，你可以使用此菜單式的總結(jié)來嘗試生成你的參數(shù)文件。

? 流程：

1、啟動Tosca Structure前處理器：Tosca Structure.pre | Tree

2、輸入文件：Tosca Structure.pre | FEM_INPUT

3、定義集合（僅Nastran用戶）：Tosca Structure.pre | GROUP_DEF |Read Nastran Set

4、設(shè)計區(qū)域：Tosca Structure.pre | DV_SHAPE

5、設(shè)計變量約束：Tosca Structure.pre | DVCON_SHAPE |Check_DOF

6、設(shè)計響應(yīng)：Tosca Structure.pre | DRESP | Add LC

7、目標(biāo)函數(shù)：Tosca Structure.pre | OBJ_FUNC | Minmax

8、網(wǎng)格光滑：Tosca Structure.pre | MESH_SMOOTH

9、定義優(yōu)化任務(wù)：Tosca Structure.pre | OPTIMIZE

10、全局停止條件：Tosca Structure.pre | STOP

11、保存Tosca結(jié)構(gòu)參數(shù)文件：Tosca Structure.pre | FILE |Save As

? 檢查輸入：

12、設(shè)置測試優(yōu)化：Tosca Structure.pre | TEST_SHAPE

13、運行測試優(yōu)化：Start Tosca Structure | test1 |Start TOSCA

14、查看測試結(jié)果：Tosca Structure.report | Generate Report

? 啟動優(yōu)化：

15、運行Tosca結(jié)構(gòu)優(yōu)化：Start Tosca Structure | all |Start TOSCA

? 后處理

16、生成結(jié)果位移文件：Structure.report | Generate|Report

? 結(jié)果轉(zhuǎn)移

17、生成CAD輸出文件：Tosca Structure.smooth | igs |Start Smoothing

? 擴展

18、連接條件：Tosca Structure.pre | LINK_SHAPE |SURFACE_DEMOLD

19、設(shè)計變量約束：Tosca Structure.pre | DVCON_SHAPE |Link Condition

20、設(shè)計響應(yīng)：Tosca Structure.pre | DRESP

21、約束：Tosca Structure.pre | CONSTRAINT

22、網(wǎng)格光滑：Tosca Structure.pre | MESH_SMOOTH

23、全局停止條件：Tosca Structure.pre | STOP