每日聚焦：工業軟件是什么？企業常用的三大類工業軟件CAD，CAE，CAM

工業軟件真的有這么重要嗎，不用不行嗎?答案：它真的很重要，不用還真不行。上世紀CAD軟件沒有誕生之前，設計師們的日常，所有的圖紙全靠手繪完成。那個年代流傳著一句話：判斷一個人是否是一名設計師的一個標準就是看他肚子上有沒有一道桌子壓過的痕跡。那個年代的設計效率非常低下。

這是我在大學時候有次交作業前的最后一次審圖情景，老師為了鍛煉我們手繪能力，要求每次作業必須有一張手繪圖，但時至今日，我依然懷念當年在大學熬夜畫圖的情景，有時候圖書館沒位置了，我們都喜歡回宿舍把床板拆下來當畫圖板。

(資料圖)

然而，自從上世紀八十年代工業軟件出現后，設計師們終于不用通過手繪來完成圖紙的設計了，轉而在電腦上完成，設計效率極大提高。

那么工業軟件是什么東西?

大部分讀者可能是做應用軟件開發的，不太了解工業軟件這個行業，其實工業類軟件按照功能可分為三大類，CAD(計算機輔助設計)、CAE(計算機輔助工程)、CAM(計算機輔助制造)，這三款軟件是如今工業行業必不可少的軟件，航空、船舶、汽車等產品的研發少不了它。而目前企業常用的這三大類軟件，基本上都被美、法、德三國所壟斷，尤其是在CAE領域，美國更是霸主般的存在。

1)，CAD(計算機輔助設計)軟件

人類史上第一款CAD軟件的的雛形可追溯到上世紀五十年代，那個時代正是美蘇爭霸期間，美國軍方為了攔截蘇聯的遠程轟炸機，由國防部牽頭聯合IBM與麻省理工學院聯合開發了SAGE系統，SAGE系統完全用匯編語言來完成，它其中一個功能就是能夠在計算機上繪圖，當時耗資100多億美元(注意這是上世紀50年代的100億美元，放現在估計也得一千億美元以上了)。但那個時候的CAD軟件僅僅供美國軍方使用，后來才逐步走向商業化。

簡而言之，CAD軟件就是讓設計師能夠在電腦上畫圖的軟件，可以說，CAD軟件的出現徹底解放了設計師們手中的作圖工具，以往通過手工繪制的圖紙可以放在電腦上來完成，極大減輕了設計人員的工作量，同時也大大加快了產品的研發效率。

CAD軟件出現后，以前只能手工來繪制的圖紙，可以放到電腦上來完成，大大提高了工作效率，這是美國AutoDesk公司旗下的一款二維CAD軟件產品——AutoCAD

我之前在車企待過，所以我還以汽車研發過程為例來說明。汽車的研發過程遠比大家想象的復雜得多，你可能覺得汽車由設計人員先把圖紙畫出來，然后就可以來進行加工生產了?No,No,No...，汽車的研發過程先由再行設計師來完成造型的設計，再由工程設計人員完成零部件的設計，隨后工程人員還要對設計出來的雛形做驗證分析，最后還要交給生產技術人員對每個零部件做加工可行性分析，等每個環節都確認無誤后才能投線生產。

在第一階段，汽車造型設計師在完成車輛造型與外觀設計后，剩下的就要交給工程設計人員了，而車輛工程師們要對汽車的每一個零部件進行設計畫圖，最后還要出工程圖，交給工人加工。汽車是人類工業級消費品中唯一零部件達到上萬級別的產品，結構復雜，所以工程師們一般情況下都會先出畫3D圖，目的是為了檢查結構設計的合理性以及零部件是否有干涉，也為后面做有限元分析做準備，而零部件的繪制用什么工具呢，這就需要用到CAD軟件了。

那么你可能會問，必須用計算機繪制嗎，不能手繪嗎，這放在上世紀六七十年代還是可以的，但是現在絕無可能，現在人類汽車結構的復雜程度跟上世紀相比根本不在一個數量級，你不可能讓工程師們還用古老的工具手工繪圖，那樣即便你真手繪完成了，也必將花費大量的時間，等產品上市，早已被競爭對手淘汰。

中國第一代核潛艇總設計師——黃旭華，在那個年代，他們隱姓埋名，為中國研發出第一艘核潛艇，在那個沒有CAD軟件的年代，潛艇的每一個零部件都需要手繪來完成，共計4.5萬張圖紙，加起來總共有30公里長，向黃老致敬!

三維CAD軟件的出現，又將產品開發效率提升了一個檔次，以前畫圖只能在二維平面上完成，現在可以直接進行3D建模，隨后直接生成工程圖。這是美國PTC公司旗下的一款三維CAD軟件——Pro/E.

這是一張采用Pro/E軟件繪制的汽車總裝圖，汽車一般采用自頂向下的設計方法，等總裝圖完成后，工程師們還要逐一生成零件圖，每輛車假如有兩萬個零件，那圖光零件圖就有兩萬張，后面還有局部裝配圖、加工工藝圖等等，總共至少在四萬多張。這些工作單靠手工完成在目前追求效率的市場上是不現實的。

將總裝圖的每個零件都拆解，生成零件圖，最后交給工人加工。

這是一張繪制比較標準的汽車傳動軸類零件圖，圖紙上必須表明完整的尺寸、公差、粗糙度等，容不得半點差錯，一般都需要用CAD軟件來繪制。

2)，CAE(計算機輔助工程)軟件

要問世界上哪家公司的代碼數量最多，你可能回答是微軟、IBM或者Google，但事實上這些都不是，單論代碼數量，世界上最大的軟件公司是美國的軍火商巨頭——洛克希德·馬丁，沒錯，就是那家美國的軍火公司，美國的F22戰斗機、F35戰斗機等都出自這家公司。說到這里你可能覺得疑惑，軍火廠商居然也做軟件?是的，而且他們做的軟件大部分僅供自己使用，不對外銷售，其中就包括CAE軟件。

CAE軟件是工業軟件里面開發難度最大的一類軟件(后面會告訴你為什么)，但也是最重要的一款軟件。CAE自誕生之日起，與CAD軟件一樣，主要服務于軍方，后來才逐步走向商業化，民用企業才得以使用。那么CAE究竟是干什么呢?

CAE全程叫Computer Aided Engineering(計算機輔助工程)，就是把設計出來的產品，通過軟件的方法進行仿真分析，來驗證設計出來的產品是否達到規定的要求(它的原理后面會解釋)。你閉上眼睛想一下，設計師們把產品在電腦上設計出來后，只要導入這款軟件，就能知道產品設計哪里有不合理的地方，然后再更改設計圖紙，這是不是就像魔法一樣?這節約了多少后期試驗的成本。而且，在有些領域，你必須使用CAE軟件進行仿真分析，例如航空航天領域，這都是關乎每一位乘客人身安全的領域，必須經過軟件的驗證。

CAE軟件的出現，極大程度地提高了產品的研發周期，以前必須通過實驗來驗證的產品，現在可以放到電腦上來完成

目前全球商用CAE軟件行業市場份額最大的是美國的ANSYS，ANSYS自誕生之日起就一直專注于有限元仿真技術，到目前，已經形成了包括結構、流體、電磁、航空、船舶、汽車等完整的仿真產品線。那它用在什么地方呢，我還以汽車為例，你以為車輛工程師把3D總裝圖完成后就可以直接生成零件圖進行加工了嗎，不，這還遠遠不夠，后面還有重要兩環，其中最重要的就是對你設計出來的產品進行可行性分析。

大家可能不知道，衡量一款汽車的好壞，安全性是一項重要的指標。那么如何知道設計師設計出來的汽車是都達到足夠的安全標準呢?你敢保證剛設計出來的汽車跑在路上不會有斷軸的危險?你敢保證設計出來的汽車在突發撞擊意外情況安全氣囊一定能打開?也許有人說，可以先造出來一輛上路測試一下不就行了?可是你想過沒，如果萬一測試達不到安全標準怎么辦，難道重新設計嗎?且不說在安全方面涉及到人命關天，單說模具環節，重新設計就意味著重新開模，一套汽車模具價格動輒在千萬以上，這樣的成本允許車企這樣做嗎?

再給大家舉個例子，外行人可能總是覺得，汽車前保險杠與引擎機艙部分為什么那么“脆弱”，只要發生碰撞發動機基本上就報廢了，就不能把發送機前引擎機艙部分做的更加“結實”一些嗎?可事實恰恰相反，非但不能設計更加“結實”，反而需要故意要設計成“容易”損壞的程度，這是為什么呢，原因就在于發動機前引擎機艙部分在一定程度上給我們充當了炮灰的角色，一旦發生碰撞，要盡量避免產生的撞擊能量傳遞給駕駛室，那么就要把前引擎機艙部分設計成有一定的柔性，機艙部分要首先潰縮，用來吸收能量，保證駕駛室內人員的安全。而且，為了將駕駛室內人員的損傷降到最低，除了前引擎部分“犧牲自己”外，還要將剩余的撞擊能量均勻地傳遞到車身骨架以及底盤上面，這些功能都如何驗證你設計的產品是否達標呢，這里就需要用到強大的工具——CAE軟件。

汽車曲軸接收到到的是變應力，而且工作環境惡劣，所以工程師們設計好后，必須對它進行應力分析，看設計是否合理

這是采用ANSYS軟件來模擬分析汽車差速器的受力分析，有了這款軟件，可以計算出來重要零部件的危險截面、使用壽命等等，從而保證設計的合理性。此外，除了受力分析外，還能對散熱通道進行模擬分析

汽車剎車系統關乎駕駛人員的生命安全，為了保證設計的合理性，必須經過CAE軟件來驗證

用CAE軟件來模擬剛設計出來的汽車撞擊試驗，用來測試前引擎機艙是否有足夠的韌性來吸收撞擊產生的能量

這是運用CAE軟件來模擬分析輛車相撞試驗，用來測試汽車在意外情況下的安全程度，這樣就極大程度地降低了研發成本。你看到的這張動圖，它可真不僅僅是“動畫”，舉個例子，上面輛車碰撞后車輪的運動軌跡、發動機艙的潰縮程度都是計算機通過力學的方法計算出來的!而如果單純是一個動畫，完全不必考慮這些。

即便使用CAE軟件仿真碰撞試驗后，還要進行實際碰撞試驗。就是按照圖紙生產出來一輛車，然后進行實際撞擊試驗，看是否符合安全要求，比如。新研發一款汽車要進行上百輛這樣的汽車進行試驗，而一旦試驗后，這些車就會立馬報廢，這些報廢消耗的車輛會分擔到每輛汽車的成本上。但是，如果沒有CAE軟件，實際試驗用的車可能會達上萬輛，那樣的成本車企們完全不能接受的。

等CAE軟件驗證完成后，汽車在投產之前還要進行實際碰撞試驗，例如右邊的白色轎車在碰撞過程中引擎蓋彈出，極有可能對灰色轎車駕駛人員造成二次傷害，所以還要對引擎機艙部分進行結構設計改進。

我剛才只是舉了我最熟悉的汽車工業領域，但CAE軟件應用的領域遠不止這些。它還涉及到航空、航天、電子等諸多高科技領域，可以說，工業軟件已經滲透進了中高端制造的各個領域。

使用CAE軟件對航空發動機進行受力分析

CAE軟件對設計好的飛機外形做可靠性分析，飛機廠商要想領取國際適航證，必須經過指定的工業軟件來進行驗證

這是我們的國產大飛機C919，如果美國通過工業軟件來卡脖子，那么我們的飛機翱翔藍天將徹底無望

高鐵前面的子彈頭外形可不是隨意設計的，它是用CAE軟件通過空氣動力學計算出來的，這樣可以把行駛過程中產生的空氣阻力降低到最小。

CAE軟件在3C電子產品開發領域也是應用極為廣泛，圖為用ANSYS驗證設計的無線路由器散熱是否合理

3)，CAM(計算機輔助制造)軟件

在前面汽車完成設計之后，也經過各方面安全性測試后，剩下的就要加工生產了。那么汽車的零部件是如何生產出來的呢，這就需要工業母機——機床來完成了。

在數控機床(CNC)沒有誕生之前，汽車的每一個零部件都要工人師傅們在普通機床上手工完成。但是隨著汽車零部件的逐步精密化，有些零部件在普通機床上根本根本加工不出來。除了汽車行業，在航天航空、精密電子等領域更是如此，這個時候數控機床就誕生了。

在數控機床加工零部件前有一個重要的工序，就是需要在計算機上實現模擬加工仿真，待準確無誤后，才能上機生產，那么為什么要仿真呢，直接加工不行嗎?答案是不行，要知道，一套完成的CNC加工程序需要工程師們手動干涉完成編寫，CAM軟件只能生成部分代碼，而只要是程序就會有Bug，CAM軟件模擬仿真會根據你的程序準確計算出整個零件的加工過程，生成機床走刀路線，不僅可以檢查加工過程中是否有撞刀的危險，而且還可以檢查程序是否有過切或者欠切的現象。

像加工這種包含包含復雜曲面的零部件，CNC程序必須由CAM軟件來完成，而且，加工前必須進行模擬仿真

待CAM軟件仿真完成確認無誤后，方可上機加工，加工的CNC走刀程序由CAM軟件生成

這是用Mastercam軟件來進行加工仿真的過程，可以看到完整的走刀路線與加工過程，避免加工過程中出現撞刀等危險。

這是蘋果Mac pro的金屬外殼的其中一道加工工序，在CNC數控機床上完成，自動加工程序也要有CAM軟件來完成，蘋果為了保證他們產品的手感，所有的外殼均使用完整的一塊金屬來通過去除材料來切削加工，成本極高。相反，其他大部分廠商會使用模具沖壓或者金屬拉絲工藝來完成，雖然成本低，但手感就沒那么好了。

自iPhone 11后，蘋果重新回歸后玻璃面板的經典設計，順便給大家提一下，蘋果后玻璃板是用一整塊厚度為8mm的玻璃在CNC上銑削為3mm完成的，而且還要在上面鉆孔，這樣的事情全球也只有蘋果敢這樣做了，更為變態的是，為了專門加工這塊玻璃，蘋果還專門給富士康買了一千多臺CNC數控機床!這樣的成本，別說機床了，就單說加工玻璃造成刀具的損耗成本就是其他手機廠商不敢想的,當然，加工過程中少不了CAM軟件。