导读：在目前已有的结构优化商业软件中，TOSCA Structure无疑是操作最为简单，上手最快的软件，没有之一。

首先，TOSCA Structure软件构架如图1所示，由于并不完成有限元分析部分，所以用户可以在自己熟悉的CAE软件下完成有限元模型建立、加载、参数设置等，以abaqus为例，建模完毕后，导出.inp文件即可。在TOSCA Structure软件中完成优化设置、CAE程序调用、优化求解等工作，并在其后处理模块中进行后处理。通过TOSCA Structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。

图1 TOSCA Structure 软件构架

一、古有曹植七步成诗，今有TOSCA Structure七步设置

如图2所示的悬臂梁结构优化，以刚度最大化为目标，45%体积比约束。考虑到加工因素，外层单元在优化迭代中不变，即仅内层结构的单元密度在优化迭代过程中可变。

图2 长悬臂梁结构

在TOSCA软件中，包括手动命令和自动向导两种模式设置优化模型。自动向导模式具有易于上手学习、步骤清晰等优点。

在TOSCA Structure.gui下点击File菜单下的TOSCA.wizard，进入向导标准步骤下的优化模型设置。

步骤1－优化类型

如图3所示，优化类型包括拓扑优化(Topology optimization)、形状优化(Shape optimization)和加强筋优化(Bead optimization)三类。本算例选择拓扑优化类型。

图3 步骤1－优化类型

步骤2－模型信息

如图4所示，主要内容为有限元模型输入文件信息和其它模型信息。本算例选择在FE-Model中选择airbeam.inp文件，其余额外信息忽略。

图4 步骤2－模型信息

步骤3－设计变量区域

如图5所示，主要内容为选择优化区域，缺省为全部单元(ALL_ELEMENTS)，或者采用创建新的单元组方法。本算例选择全部单元作为设计区域。

图5 步骤3－设计变量区域

步骤4－优化任务：

如图6所示，主要内容为定义优化目标与约束条件。缺省优化目标为刚度最大化(Maximize stiffness)。其它优化目标包括基频最大化(Maximize the lowest eigenfrequencies)、体积最小化(Minimize the volume)。缺省约束条件为体积比约束30.0%，其它约束条件为节点位移约束条件。本算例选择刚度最大化为目标，体积比约束为45.0%。

图6 步骤4－优化任务

步骤5－冻结区域：

如图7所示，主要内容为定义冻结区域即非参与优化区域。本算例勾选Define a Frozen Area选项，在existing group中选择frozen_elements.

图7 步骤5－冻结区域

步骤6－拔模制造约束

如图8所示，主要内容为定义拔模制造约束的组、拔模方向等。由于本算例为平面结构，忽略拔模制造约束。

图8 步骤6－拔模制造约束

步骤7－总结

如图9所示，主要内容为上述步骤内容汇总。

图9 步骤7－总结

设置完成上述向导步骤后，得到如图10所示的TOSCA Structure.gui界面。在File菜单下点击Save，保存文件名airbeam.par，其中.par表示单词参数parameter的缩写。在界面左边是参数文件包含的命令，具有Text/Compact/Tree三种显示模式，分别点击左小角对应的卡片可在不同模式间进行切换。

图10 GUI界面

如图11所示，切换至Start Tosca Structure界面，点击Start TOSCA按钮，运行TOSCA Structure直至计算完毕。

二、认识TOSCA STRUCTRUE

根据上文的介绍，我们可以得出以下结论：利用wizard工具，7步实现拓扑优化设置；古有曹植七步成诗，今有TOSCA Structure七步设置； 对于复杂工程问题，将主要采用wizard工具设置优化模型，配合高级命令的方法。

但是，目前TOSCA Structure软件在市面上没有书籍和相关视频。大多数的学习者只能通过自带的帮助文件学习。尽管帮助手册上有关于软件命令的详细解释，但是缺乏软件操作的讲解。

鉴于此，笔者与2020年7月在仿真秀独家发布精品课《TOSCA Structure拓扑优化进阶16讲》掌握TOSCA控制算法和敏感算法实际工程应用能力。目前已经更新完整，欢迎订阅，以下是课程大纲：

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1、适合那些人学习

学习型仿真工程师理工科院校学生从事各类产品拓扑优化设计分析的工程师TOSCA软件学习和应用者

2、对学员的帮助是什么

掌握连续体结构拓扑优化理论方法掌握基于TOSCA Structure控制算法的拓扑优化流程掌握基于TOSCA Structure敏度算法的拓扑优化流程掌握平面对称、点对称、旋转对称等约束设置掌握最大尺寸、最小尺寸约束设置掌握体积最小化位移约束拓扑优化设置掌握频率最大化拓扑优化设置掌握TOSCA Structure. Smooth后处理模块掌握多工况加权柔顺度拓扑优化设置掌握双体积比约束下的拓扑优化设置掌握工程制造约束下的拓扑优化设置掌握静动态多约束下的拓扑优化设置工程算例-某翼面结构的拓扑优化设计订阅用户讲师一对一答疑专栏服务，还可以获得课程有关的资料和模型进行练习，其他用户可以加入相关软件交流群进行学习。

3、讲师介绍

龙老师，10年的风电机组结构部件设计经验，博士学历，澳大利亚皇家墨尔本理工大学访问学者。

学习或工作经历：北京理工大学车辆工程（硕士）、动力机械及工程（博士）学历；北京理工大学博士后出站；澳大利亚皇家墨尔本理工大学访问学者；华北电力大学副教授。分析内容涉及汽车、航天航空、军工电子、风力发电行业。主要技术支持对象服务包括北京潞电电气公司、北京航天万源科技有限公司、维斯塔斯公司。

三、公开课-TOSCA Structure拓扑优化学习与工程应用

飞行翼面可以通过加强筋合理布置，实现强度、刚度好、气动外形好、结构简单等优点。翼面结构通常为空心加筋结构，各加强筋实际起了翼梁和翼肋的作用，将翼面进行合理分配。基于TOSCA Structure软件，采用拓扑优化方法对翼面结构进行优化设计，得到满足强度、变形要求的轻量化骨架模型。根据拓扑优化结果，将结果解释为CAD模型，并导入CAD软件再设计，提高了拓扑优化技术的设计精度和实用性，缩短了产品设计时间。

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