行研报告——工业软件研究框架(CAD篇)

2022-09-01 11:11:10 江苏省企业技术改造协会 21
工业软件是工业技术、知识、流程的程序化封装与复用,是智能制造的灵魂。其研发设计类软件包括通用专业化软件CAD、CAE和CAM及其他新型垂直系统级软件。

CAX简介

研发设计类软件既有CAD、CAE、CAM通用专业化软件,也有EDA、BIM等新型垂直系统级软件。

CAD是基于几何模型的造型建模,实现产品设计的结构形状所见即所得;

CAE是基于物理模型的数值拟合求解,实现产品设计的功能和性能所见即所得;

CAM是将几何建模转化为数控加工程序的功能,实现产品加工过程所见即所得。

在产品研发设计具体应用中,由CAD进行几何建模,由CAE软件读取CAD的初步建模,进行工程分析(仿真模拟),再将结果反馈给CAD继续优化产品设计,最后由CAM进行自动化数控编程;该流程结束后,与生产管控和管理运营软件结合起来进行生产作业,由生产控制系统进行加工制造。

CAD CAE CAM系统工作流程图

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资料来源:《CAD/CAM技术》,机械工业出版社

CAD

1、CAD简介

计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design):

CAD软件利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能,将工业设计知识和经验以数字化模型的方式沉淀,来辅助工程师、设计师、建筑师等人员进行产品设计、工程绘图和数据管理等工作,代替人员手工制图,解决工业产品的几何外形和结构设计问题,使得产品设计的结构形状所见即所得。

主要应用领域包括:

(1)工程制图:建筑工程、装饰设计、环境艺术设计、水电工程、土木施工等;

(2)工业制图:精密零件、模具、设备等;

(3)服装加工:服装制版;

(4)电子工业:印刷电路板设计。

2、CAD软件分为2D CAD和3D CAD

2D CAD是一个二维设计平台,通常用于绘图、草图和草图概念设计,为用户提供了尺寸和比例的基本概念。

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2D CAD绘图

3D CAD是一个设计三维对象的平台,主要特点是3D实体建模,可以创建具有长度、宽度和高度的对象,从而实现更准确的缩放和可视化。

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                                                    3D CAD绘图

2D、3D CAD对比

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3、CAD的技术壁垒非常高,首先体现在建模内核上。

其中,2D CAD底层核心技术国内已经突破,3D CAD几何建模内核与国外差距较大。

(1)2D CAD底层核心技术已非常成熟,有开放的技术联盟,打破Autodesk的垄断。

2D CAD目前可替代AUTOCAD平台的有:IntelliCAD,Open Design Alliance和Graebert Gmbh ,这三个是当今成熟的组织,为市场提供出色的替代品。国产软件在此基础上,不断研发迭代,研发出自己的2D CAD软件,如中望软件源自IntelliCAD,但目前底层代码的重复率已经非常低。

(2)3D CAD几何建模内核技术壁垒高。涉及到:

一是内存与数据管理层。包含内存分配管理、序列化与反序列化、统一数据扩展框架等模块。实现了内存池管理和数据优化,以及全平台统一的数据管理和数据访问功能,是几何内核的架构基础;

二是几何对象数学算法层。包括基础数学库、几何算法库、拓扑结构定义以及三维数据定义等模块,实现几何向量计算、矩阵变换、点线面的基础求交算法、拓扑几何布尔运算等功能,是几何内核的数学支撑;

三是三维造型实现层。包括三维建模引擎、三维图形渲染引擎、三维参数化设计引擎、数据交互管理、装配设计管理等模块。实现各种基础建模算法,如实体建模、自由曲面成型、圆角处理、实体分割、曲面裁剪等,是几何内核的图形实现引擎。

图:3D CAD几何建模内核示例

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资料来源:中望软件公告、中金公司研究报告

(3)当前,3D 几何建模内核主要掌握在国外厂商手中,Parasolid、ACIS是全球主流的两款商业几何建模引擎,国内只有中望软件、华天软件有自主可控的内核。

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4、CAD的技术壁垒非常高,还体现在工程经验积累上,需要不断积累工程知识数据、模型数据。

以中望软件为例,除通用CAD平台,推出了机械版、建筑版、冲压模、塑胶模、景园、电水暖通等专业版;在工程图库上,包括66个大类近400000个零件可直接调用,涵盖机械、重工、汽车、模具、煤矿能源、交通水利、化工、船舶等各个专业领域。

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图:中望软件专业版

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图:标准零件库

技术壁垒高:研发成本高、产品化商业化周期长

3D CAD软件研发所需代码量达千万行量级,例如达索SolidWorks的研发包含了3000-4500万行代码,需要3000-4500人付出一年以上开发工作量。3D CAD的产品化和商业化周期均在10年以上,第一款3D CAD软件从技术到产品再到商用走过了超过20年时间。

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5、竞争格局

(1)2020年,全球的CAD市场规模在670亿元,中国市场规模较小,只有35亿元。CAD市场规模中2D CAD占比在26.4%,3D CAD占比73.6%,3D CAD未来十年复合增长率在15%左右。从用户角度来看,CAD的直接用户为设计师,全球设计师人数9000万,中国设计师人数1700万,按照5000~10000元的单价计算,市场规模潜力还是比较大的,尤其是中国市场,增长有望超过全球增速。

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数据来源:国家统计局

(2)在2D CAD领域国产软件已具备商业化能力及一定竞争力。国际巨头Autodesk仍是绝对龙头,占据79%的市场份额,国产软件如中望软件、浩辰软件数码大方等也分别在该领域占据一席之地。

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(3)中国的3D CAD市场基本被国外巨头垄断,中国面临卡脖子风险。达索、Autodesk、西门子、PTC等企业垄断3D CAD市场。

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数据来源:中国工业软件产业白皮书(2020)

(4)总体来讲,国内软件企业在CAD领域与国外巨头差距较大。首先,自主可控的内核稀缺;其次,规模体量小,达索收入达到37.4亿美元,净利润6.5亿美元;中望软件收入6.2亿元人民币,净利润1.8亿元人民币。国产软件在研发持续投入上就会落后于国外巨头企业,CAD领域国产化之路任重道远。

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