工业软件历史及展望

工业软件历史及展望

EDA到底是什么，为什么那么重要？EDA是一种工业软件，它

的全称叫Electronicdesignautomation（电子设计自动化）,主要用

来设计超大规模集成电路的一种软件。

你可以简单把它理解成回电路板的（但功能远远不止回那么简

单，还包括后期设计验证等复杂的功能）。

这里你可能会问，必须用这款软件吗，难道不能手绘吗？其实

在早期EDA没有发明之前，那个时代的芯片设计确实是手绘的。

但那个年代的芯片复杂程度远远不及现在，而且晶体管的数量

也比现在少得多，现在指甲盖大小的芯片集成了几十亿个晶体管。

如果让工程师们手绘的话，先不说它画出来的能不能用，等把

几十亿个晶体管都画出来的那一刻，估计地球都毁灭了。

iPhone13系列采用最新的A15仿生芯片，指甲盖大小的面积

上集成了150亿个晶体管！再说一遍，是150亿，这样的数量让

设计人员用手工来画是不可能的

无独有偶，去年五月份，美国再次升级对华为限制措施，同时

将包括哈尔滨工业大学在内的33家中国企业与高校机构列入“实

体清单”，被列入名单内的企业无法与美国进行任何贸易。

而且一些重要的工业类软件也被限制使用，比如哈工大就收到

MATLAB（矩阵实验室）软件授权使用终止的通知，意味着从此哈工

大再无权利使用正版的MATLAB了。

由于MATLAB极其强大的科学计算、数据分析、图像处理能力，在

学术、工程等领域应用极为广泛，它甚至被称为〃工科神器；包括我

在内，工作中也经常使用这款软件做一些图像处理方面的工作。

工科神器一一Matlab软件界面

那么你可能会问，难道就找不出一款可替代这款软件的产品

吗？作为一个内行人，我可以明确地告诉你，目前来说还没有，而

且我们从零开发一款这样的软件几乎不可能（后面告诉你为什么）。

而且，禁用这款软件也许仅仅是个开始，后面老美会陆续对一

些其他工业类软件实行禁用,例如ANSYS、Pro/E、Catia、EDA等

等，万一真到了那一天，可以说中国高端工业领域绝对遭受重大挫

折。

说到这里，你可能会问，工业软件真的有这么重要吗，不用不

行吗，难道我们就不能自己开发吗？

下面我就对这三个问题逐一回答，由于我本科是学机械的，所

以下文的大部分例子我都会用机械行业里面常用的工业软件来说

明。

1工业软件真的有这么重要吗

我们先来看几张图片：

上面三张图片是20世纪CAD软件没有诞生之前，设计师们的

日常，所有的图纸全靠手绘完成。

那个年代流传着一句话：判断一个人是否是一名设计师的一个

标准就是看他肚子上有没有一道桌子压过的痕迹。那个年代的设计

效率非常低下。

这是我在大学时候有次交作业前的最后一次审图情景，老师为

了锻炼我们手绘能力，要求每次作业必须有一张手绘图。

但时至今日，我依然怀念当年在大学熬夜画图的情景，有时候

图书馆没位置了，我们都喜欢回宿舍把床板拆下来当画图板。

然而，自从20世纪80年代工业软件出现后，设计师们终于不

用通过手绘来完成图纸的设计了，转而在甩脑上完成，设计效率极

大提高。

那么工业软件究竟是什么东西？

大部分读者可能是做应用软件开发的，不太了解工业软件这个

行业，其实工业类软件按照功能可分为三大类，CAD（计算机辅助

设计一）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）。

这三款软件是如今工业行业必不可少的软件，航空、船舶、汽

车等产品的研发少不了它。

而目前企业常用的这三大类软件，基本上都被美、法、德三国所垄

断，尤其是在CAE领域，美国更是霸主般的存在。

AutoCAD（美国）

Catia（法国）

1.1CAD（计算机辅助设计）软件

人类史上第一款CAD软件的雏形可追溯到20世纪50年代，

那个时代正是美苏争霸期间，美国军方为了拦截苏联的远程轰炸

机，由国防部牵头联合IBM与麻省理工学院联合开发了SAGE系

统。

SAGE系统完全用汇编语言来完成，它其中一个功能就是能够在

计算机上绘图，当时耗资100多亿美元［注意这是20世纪50年

代的100亿美元，放现在估计也得一千亿美元以上了）。

但那个时候的CAD软件仅仅供美国军方使用，后来才逐步走

向商业化。

简而言之，CAD软件就是让设计帅能够在电脑上画图的软件，

可以说，CAD软件的出现彻底解放了设计师们手中的作图工具。

以往通过手工绘制的图纸可以放在电脑上来完成，极大减轻了

设计人员的工作量，同时也大大加快了产品的研发效率。

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MewMMtAaWl9MflMMCVa*MMftCOMMNiNkAffi・•

L........।

CAD软件出现后，以前只能手工来绘制的图纸，可以放到电脑

上来完成，大大提高了工作效率，这是美国AutoDesk公司旗下的

一款二维CAD软件产品---AutoCAD。

我之前在车企待过，所以我还以汽车研发过程为例来说明。汽

车的研发过程远比大家想象的复杂得多，你可能觉得汽车由设计人

员先把图纸画出来，然后就可以来进行加工生产了？

No,No,No.汽车的研发过程先由再行设计师来完成造型的设

计，再由工程设计人员完成零部件的设计，随后工程人员还要对设

计出来的雏形做验证分析。

最后还要交给生产技术人员对每个零部件做加工可行性分析，

等每个环节都确认无误后才能投线生产。

在第一阶段，汽车造型设计帅在完成车辆造型与外观设计后，

剩下的就要交给工程设计人员了，而车辆工程师们要对汽车的每一

个零部件进行设计画图，最后还要出工程图，交给工人加工。

汽车是人类工业级消费品中唯一零部件达到上万级别的产品，

结构复杂，所以工程师们一般情况下都会先出画3D图。

目的是检查结构设计的合理性以及零部件是否有干涉，也为后

面做有限元分析做准备，而零部件的绘制用什么工具呢，这就需要

用到CAD软件了。

那么你可能会问，必须用计算机绘制吗，不能手绘吗，这放在

20世纪六七十年代还是可以的，但是现在绝无可能。

现在人类汽车结构的复杂程度跟上世纪相比根本不在一个数量

级，你不可能让工程师们还用古老的工具手工绘图，那样即便你真

手绘完成了，也必将花费大量的时间，等产品上市，早已被竞争对

手淘汰。

中国第一代核潜艇总设计师一一黄旭华，在那个年代，他们隐

姓埋名，为中国研发出第一艘核潜艇。

在那个没有CAD软件的年代，潜艇的每一个零部件都需要手

绘来完成，共计4.5万张图纸，加起来总共有30公里长，向黄老

致敬！

三维CAD软件的出现，又将产品开发效率提升了一个档次，

以前画图只能在二维平面上完成，现在可以直接进行3D建模，随

后直接生成工程图c这是美国PTC公司旗下的一款三维CAD软件

Pro/Eo

这是一张采用Pro/E软件绘制的汽车总装图，汽车一般采用自

顶向下的设计方法，等总装图完成后，工程师们还要逐一生成零件

图。

每辆车假如有两万个零件，那光零件图就有两万张，后面还有

局部装配图、加工工艺图等等，总共至少在四万多张。这些工作单

靠手工完成在目前追求效率的市场上是不现实的。

将总装图的每个零件都拆解，生成零件图，最后交给工人加

工。

其余：V

*

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11/hmU目

。、：.W

e

IJH

技术要求：

部件传动机械厂

I.未注倒角Ix45・・名»

2.iH版处用24~28IIRC.事件10吊肉

名黑传动Mt比例共倒

材料43m»

这是一张绘制比较标准的汽车传动轴类零件图,图纸卜.必须标

明完整的尺寸、公差、粗糙度等，容不得半点差错，一般都需要用

CAD软件来绘制。

1.2CAE（计算机辅助工程）软件

要问世界上哪家公司的代码数量最多，你可能回答是微软、IBM

或者Google,但事实上这些都不是，单论代码数量，世界上最大

的软件公司是美国的军火商巨头一一洛克希德•马丁。

没错，就是那家美国的军火公司，美国的F22战斗机、F35战

斗机等都出自这家公司。

说到这里你可能觉得疑惑，军火厂商居然也做软件？是的，而

且他们做的软件大部分仅供自己使用，不对外销售，其中就包括CA

E软件。

CAE软件是工业软件里面开发难度最大的一类软件（后面会告

诉你为什么），但也是最重要的一款软件。

CAE自诞生之日起，与CAD软件一样，主要服务于军方，后

来才逐步走向商业化，民用企业才得以使用。那么CAE究竟是干什

么呢？

CAE全称叫ComputerAidedEngineering（计算机辅助工程）,

就是把设计出来的产品，通过软件的方法进行仿真分析，来验证设

计出来的产品是否达到规定的要求（它的原理后面会解释）。

你闭上眼睛想一下，设计师们把产品在电脑上设计出来后，只

要导入这款软件，就能知道产品设计哪里有不合理的地方，然后再

更改设计图纸，这是不是就像魔法一样？

这节约了多少后期试验的成本。而且，在有些领域，你必须使

用CAE软件进行仿真分析，例如航空航天领域，这都是关乎每一位

乘客人身安全的领域，必须经过软件的验证。

CAE软件的出现，极大程度地提高了产品的研发周期，以前必

须通过实验来验证的产品，现在可以放到电脑上来完成

目前全球商用CAE软件行业市场份额最大的是美国的ANSY

S,ANSYS自诞生之日起就一直专注于有限元仿真技术，到目前，已

经形成了包括结构、流体、电磁、航空、船舶、汽车等完整的仿真

产品线。

那它用在什么地方呢，我还以汽车为例，你以为车辆工程师把

3D总装图完成后就可以直接生成零件图进行加工了吗，不，这还远

远不够，后面还有重要两环，其中最重要的就是对你设计出来的产

品进行可行性分析。

大家可能不知道，衡量一款汽车的好坏，安全性是一项重要的

指标。那么如何知道设计师设计出来的汽车是否达到足够的安全标

准呢？

你敢保证刚设计出来的汽车跑在路上不会有断轴的危险？你敢

保证设计出来的汽车在突发撞击意外情况安全气囊一定能打开?

也许有人说，可以先造出来一辆上路测试一下不就行了？可是

你想过没，如果万一测试达不到安全标准怎么办，难道重新设计

吗？

且不说在安全方面涉及人命关天，单说模具环节，重新设计就

意味着重新开模，一套汽车模具价格动辄在千万以上，这样的成本

允许车企这样做吗？

再给大家举个例子，外行人可能总是觉得，汽车前保险杠与引

擎机舱部分为什么那么“脆弱”，只要发生碰撞发动机基本上就报废

了，就不能把发送机前引擎机舱部分做得更加“结实”一些吗？

可事实恰恰相反，非但不能设计更加“结实”，反而需要故意要

设计成“容易”损坏的程度，这是为什么呢？

原因就在于发动机前引擎机舱部分在一定程度上给我们充当了

炮灰的角色，一旦发生碰撞，要尽量避免产生的撞击能量传递给驾

驶室。

那么就要把前引擎机舱部分设计成有一定的柔性，机舱部分要

首先溃缩，用来吸收能量，保证驾驶室内人员的安全。

而且，为了将驾驶室内人员的损伤降到最低，除了前引擎部分

〃牺牲自己〃外，还要将剩余的撞击能量均匀地传递到车身骨架以及

底盘上面，这些功能都如何验证你设计的产品是否达标呢，这里就

需要用到强大的工具一一CAE软件。

AMo<UI

TottiCMormioon

TyprTotalDHorm4taon

Ffluency&6064Hz

Uht:mm

VWW63:57PM

c

000109.00(mm)

25.00

汽车曲轴接收到的是变应力，而且工作环境恶劣，所以工程师

们设计好后，必须对它进行应力分析，看设计是否合理。

这是采用ANSYS软件来模拟分析汽车差速器的受力分析，有了

这款软件，可以计算出来重要零部件的危险截面、使用寿命等等，

从而保证设计的合理性。此外，除了受力分析外，还能对散热通道

进行模拟分析。

汽车刹车系统关乎驾驶人员的生命安全，为了保证设计的合理

性，必须经过CAE软件来验证。

用CAE软件来模拟刚设计出来的汽车撞击试验，用来测试前引

擎机舱是否有足够的韧性来吸收撞击产生的能量。

Overlapratio37%

Time=0

这是运用CAE软件来模拟分析车辆相撞试验，用来测试汽车在

意外情况下的安全程度，这样就极大程度地降低了研发成本。

你看到的这张动图，它可真不仅仅是“动画”，举个例子，上面

车辆碰撞后车轮的运动轨迹、发动机舱的溃缩程度都是计算机通过

力学的方法计算出来的！而如果单纯是一个动画，完全不必考虑这

些。

即便使用CAE软件仿真碰撞试验后，还要进行实际碰撞试验。

就是按照图纸生产出来一辆车，然后进行实际撞击试验，看是否符

合安全要求。

比如，新研发一款汽车要进行上百辆这样的汽车进行试验，而

一旦试验后，这些车就会立马报废，这些报废消耗的车辆会分担到

每辆汽车的成本上。

但是，如果没有CAE软件，实际试验用的车可能会达上万辆,

那样的成本车企们完全不能接受的。

正在进行碰撞试验的汽车

等CAE软件验证完成后，汽车在投产之前还要进行实际碰撞试

验，例如右边的白色轿车在碰撞过程中引擎盖弹出，极有可能对灰

色轿车驾驶人员造成二次伤害，所以还要对引擎机舱部分进行结构

设计改进。

我刚才知识举了我最熟悉的汽车工业领域，但CAE软件应用的

领域远不止这些。它还涉及航空、航天、电子等诸多高科技领域,

可以说，工业软件已经渗透进了中高端制造的各个领域。

使用CAE软件对航空发动机进行受力分析

CAE软件对设计好的飞机外形做可靠性分析，飞机厂商要想领

取国际适航证，必须经过指定的工业软件来进行验证。

这是我们的国产大飞机C919,如果美国通过工业软件来卡脖

子，那么我们的飞机翱翔蓝天将彻底无望。

高铁前面的子弹头外形可不是随意设计的，它是用CAE软件通

过空气动力学计算出来的，这样可以把行驶过程中产生的空气阻力

降低到最小。

CAE软件在3C电子产品开发领域也是应用极为广泛，图为用

ANSYS验证设计的无线路由器散热是否合理。

1.3CAM（计算机辅助制造）软件

在前面汽车完成设计之后，也经过各方面安全性测试后，剩下

的就要加工生产了c

那么汽车的零部件是如何生产出来的呢，这就需要工业母机一

一机床来完成To

在数控机床（CNC）没有诞生之前，汽车的每一个零部件都要

工人帅傅们在普通机床上手工完成。

但是随着汽车零部件的逐步精密化，有些零部件在普通机床上

根本加工不出来。

除了汽车行业，在航天航空、精密电子等领域更是如此，这个

时候数控机床就诞生了。

在数控机床加工零部件前有一个重要的工序，就是需要在计算

机上实现模拟加工仿真，待准确无误后，才能上机生产，那么为什

么要仿真呢，直接加工不行吗？

答案是不行，要知道，一套完成的CNC加工程序需要工程师

们手动干涉完成编写，CAM软件只能生成部分代码。

而只要是程序就会有Bug,CAM软件模拟仿真会根据你的程序

准确计算出整个零件的加工过程，生成机床走刀路线，不仅可以检

查加工过程中是否有撞刀的危险，而且还可以检查程序是否有过切

或者欠切的现象。

像加工这种包含复杂曲面的零部件，CNC程序必须由CAM软

件来完成，而且，加工前必须进行模拟仿真。

待CAM软件仿真完成确认无误后，方可上机加工，加工的CN

C走刀程序由CAM软件生成。

这是用Mastercam软件来进行加工仿真的过程，可以看到完整

地走刀路线与加工过程，避免加工过程中出现撞刀等危险。

这是苹果MacPro的金属外壳的其中一道加工工序，在CNC

数控机床上完成，自动加工程序也要有CAM软件来完成。

苹果为了保证他们产品的手感，所有的外壳均使用完整的一块

金属来通过去除材料来切削加工，成本极高。

相反，其他大部分厂商会使用模具冲压或者金属拉丝工艺来完

成，虽然成本低，但手感就没那么好了。

自iPhone11后，苹果重新回归后玻璃面板的经典设计，1顺便

给大家提一下，苹果后玻璃板是用一整块厚度为8mm的玻璃在C

NC上铳削为3mm完成的，而且还要在上面钻孔。

这样的事情全球也只有苹果敢这样做了，更为变态的是，为了

专门加工这块玻璃，苹果还专门给富士康买了一千多台CNC数控

机床！

这样的成本，别说机床了，就单说加工玻璃造成刀具的损耗成

本就是其他手机厂商不敢想的，当然，加工过程中少不了CAM软

件。

2工业软件难道我们自己不能开发吗

2.1开发工业软件它真的是很难，因为它是一门交叉学

科。

如果仅仅是开发一款类似于微信或者抖音这种APP,或者是开

发一款类似于金蝶这种财务管理的企业级软件，它顶多也就是网络

编程与数据库交互的应用，不需要程序员掌握其他知识。

但工'也级软件可不是这样，不光需要掌握最基本的编程能力，

更重要的是对多学科的交叉融合。

说到工业软件的开发，你可能会觉得这是计算机专业的事情，

但事实上它还真不是计算机专业的事，工业软件是以数学为基础，

贯穿了物理、化学、力学、材料科学等诸多领域的交叉学科。

先拿CAD这类软件来说，因为软件是给专业画工程图的工程

师们使用的，所以，要求开发工业软件的程序员们必须懂得工程图

学的知识。

例如基本的投影知识，要把这些知识融合到代码里面，通过计

算机显示在屏幕上，更是需要计算机图形学方面的知识。

再拿CAE软件来说，你要软件能够计算出设计零件的疲劳极限

与寿命，这就需要到材料力学方面的知识。

如果你对设计的飞机进行气流分析（飞机设计时必不可少的环

节），这就又涉及流体力学方面的知识，软件当然也要计算出流体力

学的各种参数，这就需要求解大量的偏微分方程，又涉及数学方面

的知识。

总之，工业软件本质就是将力学、数学等各种学科的公式，通

过算法的形式写进代码里面，如果目前学术界没有特定的公式，那

么就需要开发人员自己去推导公式。

有时候想想，开发工业软件的人，必须是天才。

应用数学

软件工程学

这是开发一款工业软件所涉及的学科，难度远远在一款应用级

软件之上。

2.2工业软件行业有个特点：先来者有肉吃，后来者连汤

都喝不到

工业软件不同于应用级软件，它要有足够的健壮性与工程性，

举个例子，你平常用的微信APP如果它真有Bug的话，顶多也是

你的信息发不出去等小问题。

但是工业软件就不一样了，它要求丝毫不能差错，一旦哪个环

节出现问题，造成损失就难以估量。

举个例子，如果CAE软件出现Bug,把原本汽车设计不合理的

结构判断成合理的，结果就可能造成批量生产投入市场后出现大面

积事故。

但是我之前说过，是软件一定会有Bug,要想消除这些Bug,

必须经过大量的用户来充当“小白鼠”进行使用反馈测试。

可如果一款软件本身用户量就很少，软件厂商怎么能获得用户

回馈从而修复漏洞呢，所以，这就造成一个“强者愈强，弱者愈

弱”的现象。

再举个例子，你公司本身用的是ANSYS软件，然后有人给你推

销一款新的CAE软件，刚刚投向市场，你敢用吗，都是一样的道

理。

3国产工业软件市场状况

工业软件这么重要，我们国产工业软件市场份额怎么样呢，答

案是很不乐观。

前面说过工业软件开发的特点，高难度、高风险、高成本，而

R国内软件行业本身就非常浮躁。

大部分公司做的都是在别人家平台基础之上搭建起来的应用级

软件，巨头们都跑去做产值快的互联网行业了，再加上工业软件行

业人才的缺乏，导致国产工业软件市场发展极其缓慢。

苹果最新的iPhone13发布会上提到了中国唯一一个走出国门

的超级APP——TikTok（抖音）。

你可能以为中国的软件行业很厉害了，但那都是应用级的，就

先别说工业级了，就连企业级软件市场，把国产所有的企业级软件

加起来都不如有美国的Adobe一家大。

目前国产工业软件做得最好的有两家公司，一家是北京数码大

方，另一家是广州中望。

但这两家的产品还仅限于CAD/CAM领域，在CAE软件领域

几乎为零，如果核心软件领域不能国产化，那么中国制造走向高端

化必将受到重重瓶颈。

4对中国国产工业软件行业的展望

4.1基础研究与软件强国

我在大学时候，我的力学老师说过一句话，人类工业文明发展

到现在，有两个学科功不