工業(yè)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(jì)CAD軟件沒有誕生之前，設(shè)計(jì)師們的日常，所有的圖紙全靠手繪完成。那個(gè)年代流傳著一句話：判斷一個(gè)人是否是一名設(shè)計(jì)師的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是看他肚子上有沒有一道桌子壓過的痕跡。那個(gè)年代的設(shè)計(jì)效率非常低下。

這是我在大學(xué)時(shí)候有次交作業(yè)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(yè)必須有一張手繪圖，但時(shí)至今日，我依然懷念當(dāng)年在大學(xué)熬夜畫圖的情景，有時(shí)候圖書館沒位置了，我們都喜歡回宿舍把床板拆下來當(dāng)畫圖板。

(資料圖)

然而，自從上世紀(jì)八十年代工業(yè)軟件出現(xiàn)后，設(shè)計(jì)師們終于不用通過手繪來完成圖紙的設(shè)計(jì)了，轉(zhuǎn)而在電腦上完成，設(shè)計(jì)效率極大提高。

那么工業(yè)軟件是什么東西?

大部分讀者可能是做應(yīng)用軟件開發(fā)的，不太了解工業(yè)軟件這個(gè)行業(yè)，其實(shí)工業(yè)類軟件按照功能可分為三大類，CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)，這三款軟件是如今工業(yè)行業(yè)必不可少的軟件，航空、船舶、汽車等產(chǎn)品的研發(fā)少不了它。而目前企業(yè)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(lǐng)域，美國更是霸主般的存在。

1)，CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件

人類史上第一款CAD軟件的的雛形可追溯到上世紀(jì)五十年代，那個(gè)時(shí)代正是美蘇爭霸期間，美國軍方為了攔截蘇聯(lián)的遠(yuǎn)程轟炸機(jī)，由國防部牽頭聯(lián)合IBM與麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了SAGE系統(tǒng)，SAGE系統(tǒng)完全用匯編語言來完成，它其中一個(gè)功能就是能夠在計(jì)算機(jī)上繪圖，當(dāng)時(shí)耗資100多億美元(注意這是上世紀(jì)50年代的100億美元，放現(xiàn)在估計(jì)也得一千億美元以上了)。但那個(gè)時(shí)候的CAD軟件僅僅供美國軍方使用，后來才逐步走向商業(yè)化。

簡而言之，CAD軟件就是讓設(shè)計(jì)師能夠在電腦上畫圖的軟件，可以說，CAD軟件的出現(xiàn)徹底解放了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員的工作量，同時(shí)也大大加快了產(chǎn)品的研發(fā)效率。

CAD軟件出現(xiàn)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(chǎn)品——AutoCAD

我之前在車企待過，所以我還以汽車研發(fā)過程為例來說明。汽車的研發(fā)過程遠(yuǎn)比大家想象的復(fù)雜得多，你可能覺得汽車由設(shè)計(jì)人員先把圖紙畫出來，然后就可以來進(jìn)行加工生產(chǎn)了?No,No,No...，汽車的研發(fā)過程先由再行設(shè)計(jì)師來完成造型的設(shè)計(jì)，再由工程設(shè)計(jì)人員完成零部件的設(shè)計(jì)，隨后工程人員還要對(duì)設(shè)計(jì)出來的雛形做驗(yàn)證分析，最后還要交給生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)每個(gè)零部件做加工可行性分析，等每個(gè)環(huán)節(jié)都確認(rèn)無誤后才能投線生產(chǎn)。

在第一階段，汽車造型設(shè)計(jì)師在完成車輛造型與外觀設(shè)計(jì)后，剩下的就要交給工程設(shè)計(jì)人員了，而車輛工程師們要對(duì)汽車的每一個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)畫圖，最后還要出工程圖，交給工人加工。汽車是人類工業(yè)級(jí)消費(fèi)品中唯一零部件達(dá)到上萬級(jí)別的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以工程師們一般情況下都會(huì)先出畫3D圖，目的是為了檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(huì)問，必須用計(jì)算機(jī)繪制嗎，不能手繪嗎，這放在上世紀(jì)六七十年代還是可以的，但是現(xiàn)在絕無可能，現(xiàn)在人類汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度跟上世紀(jì)相比根本不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(fèi)大量的時(shí)間，等產(chǎn)品上市，早已被競爭對(duì)手淘汰。

中國第一代核潛艇總設(shè)計(jì)師——黃旭華，在那個(gè)年代，他們隱姓埋名，為中國研發(fā)出第一艘核潛艇，在那個(gè)沒有CAD軟件的年代，潛艇的每一個(gè)零部件都需要手繪來完成，共計(jì)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(xiàn)，又將產(chǎn)品開發(fā)效率提升了一個(gè)檔次，以前畫圖只能在二維平面上完成，現(xiàn)在可以直接進(jìn)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(shè)計(jì)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(gè)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(chǎng)上是不現(xiàn)實(shí)的。

將總裝圖的每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的汽車傳動(dòng)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(diǎn)差錯(cuò)，一般都需要用CAD軟件來繪制。

2)，CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件

要問世界上哪家公司的代碼數(shù)量最多，你可能回答是微軟、IBM或者Google，但事實(shí)上這些都不是，單論代碼數(shù)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(cuò)，就是那家美國的軍火公司，美國的F22戰(zhàn)斗機(jī)、F35戰(zhàn)斗機(jī)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(duì)外銷售，其中就包括CAE軟件。

CAE軟件是工業(yè)軟件里面開發(fā)難度最大的一類軟件(后面會(huì)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(wù)于軍方，后來才逐步走向商業(yè)化，民用企業(yè)才得以使用。那么CAE究竟是干什么呢?

CAE全程叫Computer Aided Engineering(計(jì)算機(jī)輔助工程)，就是把設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品，通過軟件的方法進(jìn)行仿真分析，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的要求(它的原理后面會(huì)解釋)。你閉上眼睛想一下，設(shè)計(jì)師們把產(chǎn)品在電腦上設(shè)計(jì)出來后，只要導(dǎo)入這款軟件，就能知道產(chǎn)品設(shè)計(jì)哪里有不合理的地方，然后再更改設(shè)計(jì)圖紙，這是不是就像魔法一樣?這節(jié)約了多少后期試驗(yàn)的成本。而且，在有些領(lǐng)域，你必須使用CAE軟件進(jìn)行仿真分析，例如航空航天領(lǐng)域，這都是關(guān)乎每一位乘客人身安全的領(lǐng)域，必須經(jīng)過軟件的驗(yàn)證。

CAE軟件的出現(xiàn)，極大程度地提高了產(chǎn)品的研發(fā)周期，以前必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的產(chǎn)品，現(xiàn)在可以放到電腦上來完成

目前全球商用CAE軟件行業(yè)市場(chǎng)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(shù)，到目前，已經(jīng)形成了包括結(jié)構(gòu)、流體、電磁、航空、船舶、汽車等完整的仿真產(chǎn)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(jìn)行加工了嗎，不，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，后面還有重要兩環(huán)，其中最重要的就是對(duì)你設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品進(jìn)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(xiàng)重要的指標(biāo)。那么如何知道設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出來的汽車是都達(dá)到足夠的安全標(biāo)準(zhǔn)呢?你敢保證剛設(shè)計(jì)出來的汽車跑在路上不會(huì)有斷軸的危險(xiǎn)?你敢保證設(shè)計(jì)出來的汽車在突發(fā)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(cè)試一下不就行了?可是你想過沒，如果萬一測(cè)試達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)怎么辦，難道重新設(shè)計(jì)嗎?且不說在安全方面涉及到人命關(guān)天，單說模具環(huán)節(jié)，重新設(shè)計(jì)就意味著重新開模，一套汽車模具價(jià)格動(dòng)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(gè)例子，外行人可能總是覺得，汽車前保險(xiǎn)杠與引擎機(jī)艙部分為什么那么“脆弱”，只要發(fā)生碰撞發(fā)動(dòng)機(jī)基本上就報(bào)廢了，就不能把發(fā)送機(jī)前引擎機(jī)艙部分做的更加“結(jié)實(shí)”一些嗎?可事實(shí)恰恰相反，非但不能設(shè)計(jì)更加“結(jié)實(shí)”，反而需要故意要設(shè)計(jì)成“容易”損壞的程度，這是為什么呢，原因就在于發(fā)動(dòng)機(jī)前引擎機(jī)艙部分在一定程度上給我們充當(dāng)了炮灰的角色，一旦發(fā)生碰撞，要盡量避免產(chǎn)生的撞擊能量傳遞給駕駛室，那么就要把前引擎機(jī)艙部分設(shè)計(jì)成有一定的柔性，機(jī)艙部分要首先潰縮，用來吸收能量，保證駕駛室內(nèi)人員的安全。而且，為了將駕駛室內(nèi)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(yàn)證你設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)呢，這里就需要用到強(qiáng)大的工具——CAE軟件。

汽車曲軸接收到到的是變應(yīng)力，而且工作環(huán)境惡劣，所以工程師們?cè)O(shè)計(jì)好后，必須對(duì)它進(jìn)行應(yīng)力分析，看設(shè)計(jì)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(jì)算出來重要零部件的危險(xiǎn)截面、使用壽命等等，從而保證設(shè)計(jì)的合理性。此外，除了受力分析外，還能對(duì)散熱通道進(jìn)行模擬分析

汽車剎車系統(tǒng)關(guān)乎駕駛?cè)藛T的生命安全，為了保證設(shè)計(jì)的合理性，必須經(jīng)過CAE軟件來驗(yàn)證

用CAE軟件來模擬剛設(shè)計(jì)出來的汽車撞擊試驗(yàn)，用來測(cè)試前引擎機(jī)艙是否有足夠的韌性來吸收撞擊產(chǎn)生的能量

這是運(yùn)用CAE軟件來模擬分析輛車相撞試驗(yàn)，用來測(cè)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(fā)成本。你看到的這張動(dòng)圖，它可真不僅僅是“動(dòng)畫”，舉個(gè)例子，上面輛車碰撞后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的潰縮程度都是計(jì)算機(jī)通過力學(xué)的方法計(jì)算出來的!而如果單純是一個(gè)動(dòng)畫，完全不必考慮這些。

即便使用CAE軟件仿真碰撞試驗(yàn)后，還要進(jìn)行實(shí)際碰撞試驗(yàn)。就是按照?qǐng)D紙生產(chǎn)出來一輛車，然后進(jìn)行實(shí)際撞擊試驗(yàn)，看是否符合安全要求，比如。新研發(fā)一款汽車要進(jìn)行上百輛這樣的汽車進(jìn)行試驗(yàn)，而一旦試驗(yàn)后，這些車就會(huì)立馬報(bào)廢，這些報(bào)廢消耗的車輛會(huì)分擔(dān)到每輛汽車的成本上。但是，如果沒有CAE軟件，實(shí)際試驗(yàn)用的車可能會(huì)達(dá)上萬輛，那樣的成本車企們完全不能接受的。

等CAE軟件驗(yàn)證完成后，汽車在投產(chǎn)之前還要進(jìn)行實(shí)際碰撞試驗(yàn)，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(duì)灰色轎車駕駛?cè)藛T造成二次傷害，所以還要對(duì)引擎機(jī)艙部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。

我剛才只是舉了我最熟悉的汽車工業(yè)領(lǐng)域，但CAE軟件應(yīng)用的領(lǐng)域遠(yuǎn)不止這些。它還涉及到航空、航天、電子等諸多高科技領(lǐng)域，可以說，工業(yè)軟件已經(jīng)滲透進(jìn)了中高端制造的各個(gè)領(lǐng)域。

使用CAE軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行受力分析

CAE軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的飛機(jī)外形做可靠性分析，飛機(jī)廠商要想領(lǐng)取國際適航證，必須經(jīng)過指定的工業(yè)軟件來進(jìn)行驗(yàn)證

這是我們的國產(chǎn)大飛機(jī)C919，如果美國通過工業(yè)軟件來卡脖子，那么我們的飛機(jī)翱翔藍(lán)天將徹底無望

高鐵前面的子彈頭外形可不是隨意設(shè)計(jì)的，它是用CAE軟件通過空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算出來的，這樣可以把行駛過程中產(chǎn)生的空氣阻力降低到最小。

CAE軟件在3C電子產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域也是應(yīng)用極為廣泛，圖為用ANSYS驗(yàn)證設(shè)計(jì)的無線路由器散熱是否合理

3)，CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)軟件

在前面汽車完成設(shè)計(jì)之后，也經(jīng)過各方面安全性測(cè)試后，剩下的就要加工生產(chǎn)了。那么汽車的零部件是如何生產(chǎn)出來的呢，這就需要工業(yè)母機(jī)——機(jī)床來完成了。

在數(shù)控機(jī)床(CNC)沒有誕生之前，汽車的每一個(gè)零部件都要工人師傅們?cè)谄胀C(jī)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(jī)床上根本根本加工不出來。除了汽車行業(yè)，在航天航空、精密電子等領(lǐng)域更是如此，這個(gè)時(shí)候數(shù)控機(jī)床就誕生了。

在數(shù)控機(jī)床加工零部件前有一個(gè)重要的工序，就是需要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬加工仿真，待準(zhǔn)確無誤后，才能上機(jī)生產(chǎn)，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(dòng)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(huì)有Bug，CAM軟件模擬仿真會(huì)根據(jù)你的程序準(zhǔn)確計(jì)算出整個(gè)零件的加工過程，生成機(jī)床走刀路線，不僅可以檢查加工過程中是否有撞刀的危險(xiǎn)，而且還可以檢查程序是否有過切或者欠切的現(xiàn)象。

像加工這種包含包含復(fù)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(jìn)行模擬仿真

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

這是用Mastercam軟件來進(jìn)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(xiàn)撞刀等危險(xiǎn)。

這是蘋果Mac pro的金屬外殼的其中一道加工工序，在CNC數(shù)控機(jī)床上完成，自動(dòng)加工程序也要有CAM軟件來完成，蘋果為了保證他們產(chǎn)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(huì)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(jīng)典設(shè)計(jì)，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(tài)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(tái)CNC數(shù)控機(jī)床!這樣的成本，別說機(jī)床了，就單說加工玻璃造成刀具的損耗成本就是其他手機(jī)廠商不敢想的,當(dāng)然，加工過程中少不了CAM軟件。