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一、写在前面为了适应愈加残酷的市场竞争环境以及工业产品技术发展的要求，产品的开发周期变得越来越短，而其复杂程度却越来越高。在这种情况下，借助结构优化软件工具能够起到缩短开发周期、节约开发成本和提高产品质量的作用，从而达到全面提升企业竞争力目的。TOSCAStructure系统是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，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。自6.2版本起，原有的TOSCA软件正式更名为TOSCAStructure。二、TOSCAStructure软件特点TOSCAStructure是标准无参结构优化系统，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。在优化过程中，可以直接使用已经存在的有限元模型。TOSCAStructure进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，从保证了优化结果的高质量。这样做的另一大优点是用户可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作，而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。通过TOSCAStructure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1.1TOSCAStructure数据流程图三、TOSCAStructure结构优化系统主要模块TOSCAStructure结构优化系统由TOSCAStructure.gui、TOSCAStructure.topology、TOSCAStructure.shape，TOSCAStructure.bead，TOSCAStructure.post，TOSCAStructure.smooth，TOSCAStructure.report等几个模块组成。以下将分别介绍上述模块的功能和特点。TOSCAStructure.topology－拓扑优化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、位移边界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、刚度或者频率约束等基础上是重量最轻或者成本最优的。TOSCAStructure.topology能够在给定的可设计空间中，根据指定的所有加载和边界条件计算出一个最佳的设计方案，该方案即可作为一个设计初始样机，为后期详细设计过程打下基础。TOSCAStructure.topology模块的功能特点：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；频率满足设计要求的前提下体积最小化；体积不变前提下的第一频率最大化；具有处理多工况、多目标、多约束问题的能力；满足工艺加工要求；网格自适应优化技术；材料分布等势面的VRML,STL或FE-表面网格划分输；优化结果可以在TOSCAStructure.smooth中进行进一步处理；图2.1Audi公司汽车联接臂的拓扑优化设计TOSCAStructure.shape－形状优化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。该过程过去通常采用试做方法手工进行。但是TOSCAStructure.shape模块可以自动完成该改进过程。现存的需要改进的设计或者前面拓扑优化过程的结果的表面形状会在有限元分析结果的基础上进行不断的改进，直到达到要求的优化目标。TOSCAStructure.shape模块的功能特点：减小应力集中；改善结构耐久性；提高自然频率；满足工艺加工要求；图2.2 连杆形状优化设计TOSCAStructure.bead－加强筋优化模块TOSCAStructure.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。TOSCAStructure.bead模块的功能特点：提高结构刚度或自然频率；减振降噪；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；图2.3油底壳加强筋优化TOSCAStructure.smooth－平滑模块在虚拟产品开发过程中，需要将优化结果返回到CAD系统中以完成该过程的闭环。TOSCAStructure.smooth可以将优化结果输出到目前大多数的CAD开发系统中去。该模块可以从拓扑优化计算结果中得到材料分布的等势面，然后对该等势面进行平滑处理，最终得到的光滑优化表面，并可以以几种不同的数据格式输出。TOSCAStructure.smooth形状优化结果也可以以相同的格式被转化为CAD数据模型。TOSCAStructure.smooth模块的功能特点：拓扑优化结果的材料分布等势面计算；外形平滑化并简化CAD输出结果数据；输出为CAD系统的匹配文件格式；输出为快速3D可视化的VRML文件格式；输出为用作网格重新划分和分析的Patranneutral；TOSCAStructure.shape形状优化结果输出及数据简化；图2.4 拓扑优化平滑结果与快速加工制造产品TOSCAStructure.gui－统一界面TOSCAStructure.gui是最优化设计中用来定义任务、开始运行以及后处理的直观用户图形界面。TOSCAStructure.gui具有下面的特点：独立的Java控件平台；从有限元模型中输入节点和单元体系；生成TOSCA所需的新的或者改进后的优化参数文件；树形结构保证了TOSCA各种功能的快速工作流程和清晰显示；定义标准优化任务的框架技术；具有TOSCA各个模块间的任务数据传递功能；向不同的后处理器输出结果；图2.5 TOSCAStructure.gui统一界面三、TOSCAStructure在3D打印应用案例实操1-悬臂梁结构优化如图3.1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3.1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TOSCAStructure.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3.2所示，优化类型包括拓扑优化(Topologyoptimization)、形状优化(Shapeoptimization)和加强筋优化(Beadoptimization)三类。本算例选择拓扑优化类型。图3.2步骤1－优化类型步骤2－模型信息。如图3.3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3.3步骤2－模型信息步骤3－设计变量区域。如图3.4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3.4步骤3－设计变量区域步骤4－优化任务。如图3.5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(Maximizestiffness)。其它优化目标包括基频最大化(Maximizethelowesteigenfrequencies)、体积最小化(Minimizethevolume)。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3.5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 aFrozenArea选项，在existinggroup中选择frozen_elements.图3.6步骤5－冻结区域步骤6－拔模制造约束。如图3.7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3.7步骤6－拔模制造约束步骤7－总结。如图3.8所示，主要内容为上述步骤内容汇总。图3.8 步骤7－总结设置完成上述向导步骤后，得到如图3.9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3.9 GUI界面如图3.10所示，切换至StartToscaStructure界面，点击StartTOSCA按钮，运行TOSCAStructure直至计算完毕。图3.10案例实操2-支座的拓扑优化原始支座结构如图所示图3.11支座结构受力为了实现轻量化设计，设置如图3.12所示的优化区域图3.12优化区域设置优化模型采用刚度最大化设计，20%体积比约束，优化区域采用平面对称(对称面与z轴垂直)。拓扑优化结果如图3.13~3.14所示，根据拓扑优化结果得到的改进结构1，2如图3.15~3.16所示。图3.13拓扑优化结果图3.14拓扑优化光顺结果图3.13改进结构1图3.14改进结构2对改进结构进行有限元分析，位移和应力如图3.15所示。(a)位移云图(b)应力云图图3.15改进结构有限元分析四、公开课-《【案例实操】TOSCA拓扑优化从入门到精通》为了帮助更多的学员学好TOSCA，笔者受仿真秀邀约特别定于2021年1月14日晚7点为大家带来公开课-《【案例实操】TOSCA拓扑优化从入门到精通》。通过公开笔者将给大家带来：（1）TOSCAStructure软件概述和特点（2）TOSCAStructure结构优化系统主要模块（3）案例实操1：悬臂梁结构优化（4）案例实操2-飞行物翼面优化（5）案例实操3-支座的拓扑优化（6）答疑解惑感兴趣的学员可以扫描下方二维码进入群聊，参与直播！直播福利：参与直播的学员将有机会获得“CAE书籍任选其一”的奖品。作者：龙凯博士，仿真秀优秀讲师声明：原创文章，首发仿真秀APP，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。

XimeX-TSE是一款三款专业的双螺杆挤出机局部分析软件，主要用于模拟分析企业特定双螺杆挤出设备的混合效率。XimeX-TSE采用先进的有限元网格技术，不需要专业的数值模拟经验！挤出混合的局部分析主要用于深入了解混合过程的细节信息主要用于基于混合效率的工艺优化分析混合效率的量化分析XimeX-TSE采用粒子跟踪分析技术，通过识别分散（dispersive）/分布（distributive）混合判断准则，量化分析给定区域的混合效率。产品质量的参数优化XimeX-TSE可以通过多个模拟案例，寻找优化出最佳产品质量（products）的匹配工艺参数条件。高效扩展的仿真优势XimeX-TSE采用高性能并行计算技术，可以快速提供可靠的分析计算结果，模拟优势一目了然。混合过程流体动力学分析平台XimeXXimeX-TSE三维双螺杆挤出混合模拟软件是基于XimeX仿真平台搭建的专业双螺杆挤出工艺模拟软件。XimeX是一款致力于混合过程流体动力学分析的仿真软件平台，于1998年由法国科学计算咨询SCC公司（SciencesComputersConsultants）联合法国国家一流实验室国立巴黎高等矿业学院材料成形研究中心（CEMEF）、法国农业科学研究院（INRA）联合开发。工程化的数值技术XimeX开发平台引入CEMEF(Cimlib)开发的单网格多域方法,这样软件可以很容易地解决复杂的几何形状和运动学问题,告别复杂无聊的网格划分工作！先进的流变学算法在处理混合问题时，材料的流变性能是成功模拟的关键技术。XimeX采用CEMEF开发的流体动力学算法来求解有限元问题，可以有效处理极其复杂的材料流变性能(阈值，非牛顿体等)。虚拟工艺过程优化XimeX可靠的计算精度，可以虚拟测试给定设备的多种配置方案。这使得基于计算结果，工艺过程优化分析变得更加容易。粒子跟踪统计分析XimeX采用粒子跟踪统计分析技术，允许跟踪标定物质流上的附着颗粒，用以识别给定设备混合过程中物理现象并量化分析混合效果粒子跟踪技术可以从不同的角度进行分析，例如位置、速度、拉长、磨损、熵等。

继续讲解！本来已经结束了第五章的讲解，但自己回过来想想还是要补充一些基本知识的讲解，尤其是线性系统、DFT、递归结构的差分方程和系统函数等基础内容。在课堂上，讲了很多遍，同学们依旧很疑惑，这些知识是基础知识，考试肯定考，研究生阶段肯定要用。真心希望在本科阶段就能够让同学们掌握，这也许只是一种憧憬。不管前方路多坎坷，依旧从头开始慢慢补习。当在课上我问到什么是线性系统的时候，几乎鸦雀无声。有点可怕，这种学习效果让我震惊。哎，时间长了慢慢就习惯了。2022年上课，我很少很少在课堂提问了。偶尔问一次，依旧是鸦雀无声。激情遇到冰，一样冷的无语。默默的更新至v2版！2024年，v3版出炉，伴随着AI的普及应用，不断的增加内容，希望能让知识的讲解更加的深入浅出！！！线性系统！什么是线性移不变系统？什么是因果系统？什么是稳定系统？这三个概念必须要清清楚楚！！！还能写出相关特性的表达式。提问：对于稳定系统来说，其单位脉冲响应h(n)应满足什么条件？再扩展一点提问：FIR数字滤波器具有线性相位的充分条件是什么？IIR滤波器的基本结构分为直接I型、直接II型、还有哪两种呢？实现一个数字滤波器所需要的基本运算单元有哪些呢？线性移不变系统是因果系统的充分必要条件是什么呢？例题简单！但包含了重要概念！这就是证明的方式。请同学们理解这个过程。在课堂上，我将x(n)换成了n，结果很多同学就有点闷了，换了以后，有什么不同呢？公式里面什么代表了x(n)呢？最简单的理解就是n就是输入，那么在输入为n的情况下，这个系统还是线性系统吗？掌握了原理才不会害怕题目的千变万化。回顾FFT的相关知识！基2-FFT算法的基本运算单元是什么？DFT是利用了哪些特性来实现FFT快速运算？DFT的频率分辨率是什么概念？直接计算N点DFT所需的复数乘法次数是多少呢？使用FFT会减少为多少呢？同学们看到这几个问题，是不是一下子闷了？赶快查书吧，搞懂这三个问题，才能真正的了解FFT的基本概念，否则就是空谈。在做实际工程的时候需要清楚的知道频率分辨率的概念。再扩展一下吧。实偶序列的傅里叶变换是什么序列呢？FFT算法的基本思想是什么？说点题外话哦。傅里叶是上世纪的一位法国数学家和物理学家，他于1807年在法国科学学会上发表了一篇论文，提到了一个观点：任何连续周期信号可以由一组适当的正弦曲线组合而成，换言之，满足一定条件的连续函数（周期函数）都可以表示成一系列三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合形式，这个转换就被称为“傅立叶转换”。一般情况下，若“傅里叶变换”一词的前面未加任何限定语，则指的是“连续傅里叶变换”，与之对应的自然就是“离散傅立叶变换”。事实上，变换原始信号可以是周期的，也可以不是周期的，根据原始信号类型的不同，傅立叶变换可以分成四种形式，分别是“非周期性连续信号傅立叶变换”、“周期性连续信号傅立叶变换”、“非周期性离散信号傅立叶变换”和“周期性离散信号傅立叶变换”，其中“周期性连续信号傅立叶变换”实际上就是傅里叶级数的推广，因为积分其实是一种极限形式的求和算子而已。老傅学问太牛了，一般牛人都有一些意想不到的癖好。比如特别喜欢温度高的环境。一维傅立叶变换的数学意义就是将时域信号转换为频域信号。傅立叶逆变换的变换可以将频域信号转换成时域信号。连续时域信号以及对应的连续傅里叶变换都是连续函数（且是无限长度的时域信号），但是用计算机进行数字处理只能处理有限长度的离散信号，因此必须将原始信号离散化，同时建立对应的离散信号傅里叶变换。所谓的离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，缩写为DFT）就是指傅里叶变换在时域和频域上都以离散的形式呈现。原始信号离散化的过程其实就是以一定的周期对原始信号进行采样的过程。修订记录20170413完成初稿；20181227修订内容；20221012增加内容v2；20241110增加内容v3；来源：通信工程师专辑

有时候老师在课堂里面苦口婆心地讲道理，学生们置若罔闻，甚至有些人还会露出鄙夷的神色。实际上当下社会就是非常的“残酷”，看看走上社会工作多年的人给老师文章的留言，大家就知道世界真实的模样了。这个社会对我们大学生来说已经不那么友好了，AI的出现更是在挤压大家的工作空间。最近在讲《通信原理》，这么重要且有用的课程居然没几位学生在听，是我的幻觉吗？不是的，大家忙着考研，已经无暇顾及这门难度极大的专业课。于是有了本文，不知能否对学生有所触动，毕竟学习不应该过度“挑食”。已有《劝学》千古名篇，在高中就和大家见面了，我在这写感慨只会多此一举，但还是想表达一下，还有很多同行的建议也值得分享。“在当下这个无处不“卷”的时代，能否脱得下“孔乙己的长衫”成为本科学生找工作不得不面对的一大问题。在真正步入这个竞争激烈的社会前，我们需要做到自我剖释，正确认识自己的优缺点，知道自身的价值所在和不足之处。”“要能够沉下心来踏实累积。不积跬步，无以至千里。当学习沦为形式，知识便死了；当思想不再生长，人便也僵了。在这个充实自我的过程中收获经验、锤炼心性、发展思想和提升自我价值，让自己从“可替代”逐步转变为“不可替代”。”“不论是面对工作还是人生路上的诸多问题，都要综合多方面因素合理选择。做不后悔且有意义的选择，是一门人生哲学的必修课。最后，每个人是独一无二的存在，我们都是最好的自己！”我的文章发布后会有很多同行进行点评，我也经常会邀请熟悉的同行和好友留言，他们给出的大多是真知灼见，社会经验满满。大家善意的留言其实是给我的学生指路，可惜的是大部分学生在校期间都不看。这不能简单地归咎于学生“不懂事”，背后可能有更复杂的心理和社会原因。老师站在“社会回望”的视角，看到的是全貌和结果；学生站在“校园展望”的视角，看到的是起点和可能性。双方对“残酷”的定义和体感是不同步的。老师所讲的各种压力，对学生而言可能还只是一种遥远的故事。学生身边充斥着“学长学姐进大厂”、“创业成功”等光鲜案例（幸存者偏差），而自媒体喜欢渲染“躺平”、“反内卷”的情绪来迎合年轻人。相比老师提供的“社会残酷”警告，他们更愿意相信触手可及的成功故事和对反抗叙事的情感共鸣。社会人士有共鸣，这印证了经验具有不可替代的“体感滞后性”。读书时，社会是“客场”，压力是抽象的。他们在校期间的核心任务是完成学业、体验生活。毕业后呢？社会变成“主场”，压力是具象的。当自己开始投简历石沉大海、在工作中因可替代性而焦虑、面临两难选择时，再回头看老师文章下的留言，为时已晚。快要毕业了，这一届学生似乎没人找到工作，能不让人心焦吗？能怎么办？之前的四年课堂上该讲的都讲了，引来的可能更多是怨恨。现在呢？也不能多讲，学生也许认为我是在说风凉话。唯有在大一的课堂上反复提及现状，学生们会有所理解。虽然才大一，但很多学生已经在考虑自己的未来了。早做打算，及时规划，行动起来最重要！唯有这样，光明的未来才会在前方。来源：通信工程师专辑