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行研报告|工业软件研究框架（CAD篇）

发表时间：2022-08-30 10:17作者：金兵

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

资料来源：《CAD/CAM技术》，机械工业出版社

一、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。

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。

3D CAD绘图

2D、3D CAD对比

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

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。

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。

图：中望软件专业版

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。

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。