在产业升级大潮中寻求自我突破的中国工业软件产业

TE智库 在产业升级大潮中寻求自我突破的中国工业软件产业 2023年10月 报告撰写：TE·智库时间：2023.10 前言 一架波音飞机卖1亿美元，绝对不是因为加了多少传感器，有怎样的远程运维能力，而是因为它 在设计制造过程中，把工艺知识和经验注入到了飞机里 Source：TE智库，互联网公开信息整理。 01工业软件的内涵与意义 工业软件的“飞轮”在自我迭代的同时深刻转变工业发展和增长的方式 TE智库 以软件为载体“包裹”具体工业知识的工业软件，沉淀了在具体制造过程中的“诀窍”。它在工业实践中，又基于新增的“诀窍”不断自我迭代，形成以“行业知识体系”驱动工业制造的过程“自动化落地”，进而深刻转变工业发展和增长的方式： “包裹”的工业知识——主要包括各行各业的工艺知识和实践经验，更是劳动者利用各类生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理，最终使之成为成品的可靠方法与过程； 沉淀的“诀窍”——主要由不同领域对相关工业软件起到支撑作用的数据与知识库构成，包括工业制造过程中各类关键的经验、技术处理方法、突 发状况的处理办法、以及技术规范、工艺模型、算法参数、系数及权重比例分配方法等。它的丰富与可靠程度，在实践层面决定了“工艺” 沉淀知识 专注做好做精 驱动制造 飞轮产生动力 工业软件与价值飞轮 段位的高低。 可靠的行业数据知识库 针对性的工艺 形成有成就的积累 Source：《铸魂：软件定义制造》、《中国工业软件白皮书》。 深刻转变工业发展和增长的方式：助推智能制造实践落地 Sample：工业软件通过优化设计过程来推动智能制造发展方式的改变 –成本控制：在汽车制造领域，使用工业软件可以帮助工程师进行汽车零部件的设计和优化。通过使用三维建模软件，设计人员可以在计算机上快速创建出汽车零部件的数字化模型，并使用仿真软件来模拟各种工况下的性能表现。这可以帮助设计人员更快地发现和解决设计中的问题，减少试制和调试的时间和成本。 –提出更优解：工业软件可以将设计数据和经验进行积累和复用，通过引入专家系统、机器学习等技术，实现设计知识的传承、复用和管理，从而进一步提高设计效率和设计质量。在汽车制造领域，使用工业软件可以将以往的设计经验和数据集成到系统中，根据新的设计需求进行推荐和引导，实现智能化设计。 –精准自动化：通过将工业软件与生产控制系统进行集成，可以实现设计与生产的无缝对接。在汽车制造领域，通过将CAD（计算机辅助设计）与PLC（可编程逻辑控制器）进行联动，可以实现对生产设备的自动控制和调整，进而实现更加精准的自动化生产。 更是制造业实现“强、大”属性兼具的关键基石 TE智库 以工业知识为底的工业软件，在真实的物理世界与虚拟仿真的数字世界之间，建立了一条能动的交付方式和体系，在整个制造的过程中直接为制造过程（例如更精准适配原型设计）和产品（例如提供更优解的产成品）增值。工业软件所蕴含的这种增值能力，是实现制造业生产兼具“强”和“大”属性的关键根基。 驱动制造业做“强” 工业软件解决“0~1的创造”问题，输出还未实例化的产品数字孪生，也就是在赛博空间（CyberSpace）输出（设计、调整、优 化）目标产品，并且其拥有所有的与实例化的产品一致的相关功能、性能、参数和行为方式。 工业软件 制造执行系统 …… 嵌入式软件 设计仿真 …… 驱动制造业做“大” 基于赛博空间（CyberSpace）内未实例化的产品数字孪生，大批量的输出现实的产品，也就是“1~N的制造”过程，即协调供应链、基于生产规划、开动生产线、产出对应的实例化的产品数字孪生的过程； 而这个过程也在驱动“生产”自身的升级，即“生产端需要数智化”才能满足制造业做“大”，甚至“产成品也需要具备数智化”能力，而这些能力也直接作用于制造过程或产品实现增值。 Source：成都软易达信息技术有限公司冯军董事长专栏笔记。 解决“0~1的创造”，驱动制造业做“强”（1） TE智库 概念设计阶段 –概念设计是汽车设计中最重要的阶段，许多整车参数都在此阶段确定，这些参数决定了整车结构尺寸的详细设计。 –基于CAE技术及大量经营和实验数据的整车数字化仿真系统可以模拟整车在不同路况条件下的实际反馈，为各零部件的精确CAE分析提供载荷条件，从而进行复杂的非线性动力学分析、关键零部件疲劳寿命分析、整车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）分析。 –使用CAE分析驱动车身结构设计的方 法——在详细CAD设计过程之前对各种方案精细粗略的分析、定量的分配强度、刚度、质量等设计控制指标，并设置碰撞安全性目标和NVH性能目标，明确车辆动态性能目标。 传统的全尺寸油泥模型都是完全由人工雕刻出来的，这种方法费时费力而且模型质量不能得到很好的保证，制作一个整车模型大约要花上3个月左右的时间，现在随着技术的进步，各大汽车厂家的全尺寸整车模型基本上都是由5轴铣削机铣削出来的，这种方法制作一个模型只需要1个月甚至更少的时间。 产品模型在造型效果设计的基础上，进一步通过各种模型表达造型构思： –绘图设计软件制作数字3D模型——获得更加清晰的设计表现效果； –制作缩小比例模型——风洞验证、确定气动特性； –等比例模型——多轴数控机床铣削制作。 汽车比例模型制作 车身造型效果设计 （手绘草图） 设计草图是设计师快速捕捉创意灵感的最好方法，最初的设计草图都比较简单，可能只有几根线条，但是能够勾勒出设计造型的神韵，设计师通过大量的设计草图来尽可能多的提出新的创意。 这个车到底是简洁、还是稳重、是复古、还是动感都是在此确定的。 总体布置设计 经过总体布置设计后，可以初步确定汽车的主要尺寸和 基本结构： –车厢及驾驶室的布置 –发动机与离合器及变速器的布置 –传动轴的布置 –车架和承载式车身底板的布置 –前后悬架的布置 –制动系的布置 –油箱、备胎和行李箱等的布置 –空调装置的布置 Source：造车老杨、AI汽车制造业。 解决“0~1的创造”，驱动制造业做“强”（2） TE智库 工程设计阶段 –工程设计是确定整车、部件（总成）和零件的结构，进行汽车的数字化模型构建和实现数字化样车可视化的阶段。 –在工程设计阶段，需要大量使用CAE软件技术进行支持，保障设计满足各种强度、刚度、疲劳寿命、振动噪音要求和质量目标，达到最优化的设计目标。 车身造型数据建模发动机工程设计白车身工程设计 内外饰工程设计 底盘工程设计 “点云”数据 根据“点云”数据进行曲面构建 使用Catia软件制作车身表面 新车型的开发都会选用原有成熟的发动机动力总成，然后针对新车型的特点及要求，对发动机进行布置，并进行发动机匹配，这一过程一直持续到样车试验阶段，与底盘工程设计同步进行。 白车身的设计工作是在车身造型结构基础上进行的，所谓的白车身指的是车身结构件以及覆盖件的焊接总成，包括发动机罩、翼子板、侧围、车门以及行李箱盖在内的未经过涂装的车身本体。白车身是保证整车强度的封闭结构。 这些部件依然使用三维数模软件来见构建，例如达索的CATIA、西门子的UG/Imageware等，并进行材料的选择，工艺性分析、焊接、装配等分析。 包括：仪表板、方向盘、座椅、安全带、安全气囊地毯、侧壁内饰件、遮阳板、扶手、车内后视镜等；外装件的主要设计包括：前后保险杠、玻璃、车门防撞装饰条、进气格栅、行李架、天窗、后视镜、车门机构及附件以及密封条。 内外饰设计作为汽车设计里面的一个环节，它是汽车工程化数据的一个重要部分。一般主机厂都借助于包括CATIA在内的工业软件完成设计过程。 包括：传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统设计。主要工作包括:尺寸、结构、工艺功能及参数方面的定义、计算，根据计算数据完成三维数模；然后根据三维数模进行模拟试验及零部件的样品的制作；根据三维图完成设计及装配图。 电器工程设计 负责全车的所有电器设计，包括：雨 刮系统、空调系统、各种仪表、整车开关、前后灯光以及车内照明系统。 制造等比例模型之后，使用三维测量仪器对模型进行测量，所生成的数据称为点云，工程师根据点云使用汽车A面制作软件，比如Alias、Icem-surface、Catia等来构建汽车的外形和内室模型。 Source：造车老杨、AI汽车制造业。 解决“0~1的创造”，驱动制造业做“强”（3） TE智库 样车试验与量产阶段 –样车的试验包括两个方面：性能试验和可靠性试验。性能试验，主要是功能性的测试，看其是否符合设计要求；可靠性试验，主要验证汽车的强度及耐久性。试验形式主要有风洞试验、试验场测试、道路测试、碰撞试验等。 –投产的启动阶段包括制定生产流程链，各种生产设备到位、生产线铺设等等，且在完成后进行小批量生产一段时间，待进一步验证产品可靠之后，才会正式进入量产阶段，期间又会涉 及大量直接作用与制造过程的生产控制类软件、帮助生产端数字化或智能化的嵌入式软件。 Source：造车老杨、AI汽车制造业。 碰撞测试 碰撞试验的作用是测试汽车结构的强度，通过各种传感器获得各个部分发生碰撞时的数据，考察碰撞发生时对车内假人造成的伤害情况。通过碰撞试验可以发现汽车安全上的问题，有针对性的对车身结构进行加强设计。 例如，汽车行业广泛采用ANSYSLS-DYNA、PAM-CRASH、SIMULIAAbaqus、ANSA、 HyperWorks等作为碰撞安全仿真及优化设计的解决方案。 道路测试 道路测试是样车试验最重要的部分，通常在各种不同的区域环境中进行，在我国北到黑龙江南到海南岛都有进行道路测试，以测定在不同气候条件下车辆的行驶性能以及可靠性。 试验场试验 汽车主机厂基于试验场的不同路段分别模拟不同路况，有沙石路、雨水路、搓板路、爬坡路等等。 风洞试验 风洞试验主要是为了测试汽车的空气动力学性能，获取风阻系数，积累空气动力学数据。一般要对汽车正面和侧面的风阻进行测定，正面的试验用于计算正面风阻系数和提升力，侧面试验主要是考察测向风对汽车行驶的影响。例如，ELEMENTS软件提供了两个CFD分析模块，其中之一为汽车外形气动CFD分析模块，另外还提供了通用CFD分析模块，用以分析汽车风噪、零部件气动噪声、乘坐舒适性等；中国汽研依托于建成的整车气动-声学风洞，开发了国内首套高效、高精度数值风洞计算软件平台。 解决“0~1的创造”，驱动制造业做“强”（4） TE智库 传统的汽车主机大约由超过1-2万个独立的部件组成，包括总成和零件。在整个研发过程中，仅仅是某些零件的数字化研制过程的部分仿真分析与验证，就需要数十个工业软件及其相关的材料数据库、环境数据库才得以完成初步的设计。而完成整个汽车的设计与制造，所涉及到的工业软件可能超过数十个门类、上千种之多： 概念设计 在概念设计阶段，主要进行概念设计和造型设计，常用的软件包括CAD/CAM/CAE软件，如AutoCAD、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER等。这些软件可以进行草图绘制、三维建模、虚拟装配、运动仿真等操作，帮助设计师完成初步设计。 样车试验 在样车试验阶段，主要进行物理试验和仿真试验，常用的软件包括仿真软件、测试软件等。仿真软件可以对汽车进行动力学、热力学、流体等方面的仿真试验，测试软件则用于对物理试验进行数据采集、分析和处理。 工程设计 在工程设计阶段，主要进行零部件的设计和制造，常用的软件包括CAD/CAM/CAE软件、仿真软件、嵌入式软件等。CAD/CAM/CAE软件可以进行零部件的设计和制造，仿真软件可以对零部件进行强度、刚度、动力学等方面的分析，嵌入式软件则用于控制和管理汽车内部系统。 生产实施 在生产准备阶段，主要进行工艺流程设计、制造计划制定等，涉及到的软件包括PDM软件、制造执行系统（MES）、嵌入式系统等。PDM软件用于管理产品设计和工艺流程数据，MES用于监控制造过程。 02工业软件在中国市场的发展 工业软件是先进制