作者 | ma bin
经常使用cst内置优化器的读者可能在cst2023版本中就已经发现，我们增加了一个non-parametric optimizer，即无参数优化器。但是一般情况下它都是默认置灰状态，只有当选定特定的求解器和算法之后它才可以被选择。
本篇文章就给大家介绍一下如何使用无参优化器。
首先，cst的无参优化器必须要用到另一款优化软件——tosca。tosca是一款专门用于无参数优化的软件，它可以对复杂的结构进行拓扑、外形和条纹优化，得到更加轻量、坚固、耐久的结构设计。举个例子，对于奥迪a8的稳定杆连接杆，由于前轴的变化，连接杆不再满足刚度要求，使用tosca对外轮廓进行优化，可以减少30%的应力，但是如果仅仅是修改外轮廓半径，最多只能减少18%的应力。很明显，放大了优化的变量自由度，就会得到更多可能的优化结果。
我们用一个简单的结构优化的例子带大家了解tosca，可以想象如果把电磁结果作为优化目标去优化结构设计，是否也可以行得通呢？cst给的答案是yes。
在cst中创建一个简单的矩形波导和圆波导，然后用loft工具将它们连接起来，smoothness设置为0.1。优化区域是中间的连接区，我们希望这段波导在11ghz-20ghz内s11尽可能的低，参数优化的做法就是将0.1用一个变量替代，然后选择合适的优化算法对变量进行优化迭代。但是在无参优化中，不需要参数化也可以进行结构优化。
常规地在两端设置波导端口，然后背景材料改为pec，因为这三段solid我们设置是的vacuum。为了加速仿真，我们在边界条件中设置合适的对称面。
然后我们选择求解器，一定要选择f-solver，然后在method中选择fast reduced order model。frequency中不需要设置其他频点，因为我们关注的仅仅是一个宽带的s参数。网格自适应建议不勾选，会影响迭代速度，但是前提是全局网格 局部网格加密之后模型的网格质量是良好的。
在选择了f-solver之后，我们左边的导航树中会出现一个新的“树干”，design space，也就是我们要进行无参优化的区域。在定义design space之前，我们先利用shift f选中波导过渡区的表面，然后右键design space选择“new design space for shape optimization”，就完成设置了。图中绿色部分就是我们定义的设计空间，无参优化也就是在这个空间上进行，而不会修改矩形波导和圆波导。当然，这个步骤也可以反着来，先选择“new design space for shape optimization”再去选择面，完成定义。
一般在定义完design space之后，用户还可以对它设置对称约束和形状约束。在本例中，因为之前已经设置了边界条件电对称和磁对称，这里就不用再设置了。
最后需要设置我们的优化目标，点击non-parametic optimizer之后会弹出下面的对话框。在①处，我们需要将路径指向tosca安装文件下的win_b64文件夹，这个只需要设置一次。然后我们在type处选择s-parameter，点击add response打开define s-parameter design response对话框。依次设置我们需要优化的结果、频率范围和目标，然后点击ok完成设置。最后点击start启动优化。
在messages窗口中可以查看优化的过程，一个design cycle代表运行了一次cst和一次tosca。
运行完成之后，可以在对应的工程目录下看到_tosca的文件夹。这个文件夹内包含了我们优化的所有结果。比较重要的两个文件夹：1.save.cst文件夹内包含了我们优化过程中每次迭代的.cst文件，并且有对应的.inp文件；2.tosca_post文件夹内包含了tosca的所有输出，其中我们可以用tosca view打开_tosca_all_elements_report.vtfx文件查看优化过程和目标曲线等结果。
从000开始到016结束，一共有17个结果，可以查看目标函数曲线和优化过程。
从上面的优化目标曲线可以看出，008的优化函数值是最小的，再往后优化反而变差了。那我们就取一些特殊的cycle中的.cst文件来仿真看下具体s参数结果。从下图可以看出：007/008/009的结果都比较好，008可能总体而言更优一些。但016明显要差一点，所以我们基本可以判定007/008/009这三个cycle对应的形状就是最好的。注意，这里计算的结果都是在cst的无参优化器对话框中点击verify得到的结果，它会找到tosca输出的网格文件，然后再计算。
点击verify虽然可以拿到一个优化结果，但是它仅仅是个网格，我们还需要把它对应的cad文件导出来才算是真正的得到了优化后的形状。利用tosca structure.smooth可以把008对应的.stl文件导出来，再导入cst，进行一些模型操作，就可以得到最终的三维模型。
最后仿真得到三维实体下的s11结果，并把初始结果，verify结果放在一起对比。
可以看到008-verify和008-stl的结果有些不同，这是因为cst和tosca具有不同的平滑函数，并且导出的.stl格式由简单的三角面元构成，表面不够平滑，所以这两个结果存在差异。一种改进的方式是将design space区域的网格再剖分的细一些。
这就是cst的无参优化器，整个优化过程用时19分钟，效率和结果都是令人满意的。那它是怎么实现的呢？下图就很清晰的揭示了tosca的优化原理，就是根据优化目标函数去移动网格节点，最后形成一个新的形状。
小结：
1.tosca和cst都是达索旗下的软件，打通软件壁垒才能为用户提供更好的服务，后续还将介绍cst和abaqus软件的一些联合仿真。
2.无参优化器目前适用的求解器是f-solver、e-solver和lf-solver，具体可以查看help文档。
3.design space只能是一个表面。
4.在设置design space时最好设置对称约束，不仅仅可以加速迭代，更多是保持电磁的对称美。
5.verify的结果是由网格得到的，它没有对应的三维实体，如果用户后续要加工模型，还是参考.stl导入后计算的结果比较好。
6.无参数优化更多的是为用户提供一个模型优化的思路，模型形状到底往哪个方向发展是对电磁结果最优的，有时可能需要调整设置后多进行几轮优化才能得出一个最好的结果。
（内容、图片来源：cst仿真专家之路公众号，侵删）
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