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工业软件CAD行业专题研究:政策助推国产化替代,成长空间巨大

科创力2022-04-30 12:25:11 158

一、CAD:工业软件基石产品


1 什么是CAD?

CAD,即计算机辅助设计,是一种可以在工程设计和产品设计中,进行计算、信息存储和制图等项工 作的交互式制图系统,其处于产业链的上游位置,主要应用于建筑业和汽车制造、通用机械等制造业。

2D CAD:2D CAD软件提供了一个二维设计平台。由于2D CAD不允许创建透视图或比例,因此通常用于绘图 、草图和草图概念设计,这为用户提供了尺寸和比 例的基本概览,然后再进行 3D 设计。

3D CAD:3D CAD提供了一个设计三维对象的平台。这类 CAD软件的主要特点是3D实体建模。这让设计师可 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。

1.2 CAD技术发展历程:四大重大技术革命

第一次技术革命:曲面造型

60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统,只 能表达基本的几何信息,经常发生设计完成后,制作出来的样 品与设计者所想象的有很大差距甚至完全不同的情况。这时候法国人提出贝塞尔算法,使得人们在用计算机处理曲线 及曲面问题时变得可以操作,标志着计算机辅助设计技术从单 纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来,曲面造型系统 CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命。

第二次技术革命:实体造型

CAD的表面模型技术只能表达形体的表面信息,难以准确表达 零件的其它特性,而实体造型技术能够精确表达零件的全部属 性,在理论上有助于CAD模型的表达。SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技 术的大型CAD软件I-DEAS.实体造型技术的普及标志着CAD发 展史上的第二次技术革命。

第三次技术革命:参数化技术

进入20世纪80年代中期,CV公司内部以高级副总裁为首的一批 人提出了参数化实体造型方法。这是一个很好的想法,但是碍 于当时参数化技术还有很多技术难点有待攻克,CV公司内部否 决了参数化方案。就是这一批被CV公司拒绝的人,离开CV成立了一家新的参数化 技术公司,开始研制名为Pro/ENGINEER的参数化软件。而这 家公司就是历史上CAD领域最具代表性的软件公司之一PTC公 司,于1989年上市并引起机械CAD界的巨大轰动。

第四次技术革命:变量化技术

参数化技术的成功应用,使它几乎成为CAD业界的标准。但是 重新开始一套完全参数化的造型系统将花费很大的人力和财力 。因此许多应用软件采用的参数化模型都是在原有模型上进行 局部、小块的修补。SDRC公司的开发人员大胆地提出了一种更为先进的实体造型技 术——变量化技术。SDRC公司于1993年推出了全新体系结构 的I-DEAS Master Series软件。在早期的大型CAD软件中,这 是唯一一家在90年代将软件彻底重写的公司。

1.4 CAD基本技术

人机交互技术

人机交互技术即通过计算机输入、输出设备,以有效的方式实现人与计算机对话的技术 。人机交互技术包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等,人通过输入设备给 机器输入有关信息,回答问题及提示请示等。涉及到的技术包括:

模板匹配技术:一种最简单的识别技术,将传感器输入的原始数据与预先存储的模板进行匹配, 通过度量两者之间的相似度完成识别任务。

神经网络技术:一种较新的模式识别技术,具有自组织和自学习能力,具有分布性特点,抗噪声 能力比较强,能处理不完整的模式,并具有模式推广能力。

统计分析技术:通过统计样本特征向量来确定分类器的一种基于概率的分类方法。在模式识别中 一般采用贝叶斯极大似然理论确定分类函数。

而在计算机辅助设计中,交互技术是必不可少的。交互式cad系统,指用户在使用计算机系统进行设 计时,人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统,,人们可以边构思、边打样、边修改,随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果,非常直观。

实体造型技术

实体造型技术是计算机视觉、计算机动画等领域中建立3D实体模型的关键技术。 实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内,由计算机生成具有真实感的可 视的三维图形的技术,主要应用领域是计算机辅助设计、工程分析、计算机图形学、动画、快速原型 (rapid prototyping)、医疗测试和科学研究的可视化(visualization)。

设计的图纸是设计师表达设计创意的语言工具,一个复杂的零件,往往需要许多不同投影方向的图才 能表达。而要读懂这些图并准确想象出其空间效果,将花费很多时间和精力。一旦读图有误,将会给 生产、制造带来巨大损失。然而,如果采用实体造型的软件进行零件设计,设计师就能在屏幕上见到 实时的三维模型,大大减少了失误,而且还能方便地进行后续环节的设计,如模拟装配、总体布局、 干涉检查、仿真动画及模拟加工等。实体造型理论为实现产品由设计到生产的环节采用同一数据信息 提供了技术上的可行性,大大地促进了CAD产业的发展。

1.5 CAD应用场景

制造业:CAD在制造业中处于关键地位,国产化趋势显著

制造行业中常常需要设计新产品,设计一个产品的步骤是概念引入、详细的几何设计、详细的结构分 析和结构优化、模拟仿真等。将整个设计过程引入工程概念就是现代设计技术的手段,在应用CAD 后,就可以在设计阶段综合考虑设计出产品的整个生命周期。

而CAD技术已广泛应用于制造业中,其中汽车、 机床、船舶、飞机和航天器等行业应用最为广泛。 三维CAD系统是支撑制造业发展最核心的技术之一。大到满街奔跑的汽车,小到人手一部的手机, 离开三维CAD软件都无法设计和制造,但此前国内三维CAD市场长期被进口软件垄断。而近年来随 着互联网、云计算的深度发展,国外软件已不能满足中国制造业的快速发展,并且随着国产化的发 展,国产软件在市场中占比逐渐扩大。

电子电路与电气:电子电气行业内CAD未来发展前景广阔

CAD在电子电气领域的应用被称为电子电气CAD。主要包括电气原理图的编辑、电路功能仿真、 工作环境仿真、PCB设计(自动布线、自动布线)、检测。使用电子和电气CAD软件也可以快速形成 各种报表文件(如组件清单报表),为采购组件和工程预算及决算提供方便。

曾经CAD技术主要用于绘制布线图和电路原理图。而目前,CAD逐渐往印刷电路板设计应用扩散 ,并大显身手于大规模和超大规模的集成电路设计制造中,并在计算技术和微电子技术这两方面 的发展得到了很大的推动。

二、CAD行业迎来爆发期,国产软件高增速发展

2.1 工业软件市场规模

工业软件有望迎来行业爆发期,国内增速远高于全球水平。工业软件本身是工业技术软件化的产物,是工业化的顶级产品。它既是研制复杂产品的关键工具和 生产要素,也是机械装备中的“软零件”“软装备”,是工业品的基本构成要素。工业软件作为工 业和软件产业的重要组成部分,是推动智能制造高质量发展的核心要素,也是实现工业智能化的前 提,因此在传统行业数字化转型的道路上,工业软件至关重要。

从全球市场来看,工业软件将继续保持每年5%左右的稳健增速,行业增长较为稳定。从中国市场来 看,工业软件行业受益于产业升级、政策加持、国产化转型三大因素,市场规模迅速扩大,增速远 高于全球平均水平,而未来随着核心技术的不断突破,我国工业软件市场可能迎来高速增长。

2.2 CAD市场规模


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