工业软件行业专题报告：工业软件底层技术剖析

工业软件行业专题报告：工业软件底层技术剖析

　　投资分析软件,pc测试软件,宝兰德软件在汽车装配流水线上，不同的组件由不同的部门专门生产，最后统 一装配，如今的工业软件也拥有着这样的生产模式。工业软件逐渐模块化，拥有复杂且相 互关联的组成单元。常见的工业软件产品中，大多是基于全球供应链开发，企业主要聚焦 自己的优势领域，公司之间通力合作而实现。

　　CAD 软件，如 SolidWorks、Solid Edge、Inventor，一般要用到 70 个组件以上，核心组件 包括几何内核（主要有西门子 Parasolid，达索 ACIS），几何约束求解器（主要有西门子 DCM）， 图形组件（主要有 TECH SOFT 3D），数据转换器（主要有达索与 Tech Soft 3D）等，大部 分 CAD 软件的基础框架都是基于这几款基础组件。

　　CAE 软件需要网格剖分器的组件（主要有 Distene 的 MeshGems）。CAM 软件需要涉及到 加工路径的组件（主要有德国的 ModuleWorks 与英国的 MachineWorks）。CATIA、NX、 Creo 等高端多学科 MCAD 会涉及更多的组件，其中有不少核心组件来自于第三方，甚至 有些组件会来自竞争对手。

　　几何内核：几何内核是 CAD 最基础的核心组件，也是我们国家目前最关注的领域，主要 的建模方式包括线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模等。目前几何内核的两大主要 阵营为西门子的 Parasolid（全球 200 多家客户）和达索的 ACIS（全球 100 多家客户）。

　　几何约束求解器：广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查 等场景中，为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持，可帮助 最终用户提高生产效率。约束求解引擎也是最基础的核心组件，目前最主要的产品是 D-Cubed DCM。目前正在使用 DCM 的知名 CAD 软件公司包括西门子、PTC、Autodesk 等。

　　CAE 网格剖分内核：主要用于仿真分析软件的网格划分，网格剖分内核方面主要的软件是 法国的 MeshGems。

　　国产化替代在技术层面有一定难度。SolidWorks， Solid Edge， Inventor 等主流的 CAD 软件，代码量在 3000万行到 4500 万行代码左右，大约需要 3000~4500 人一年以上的开 发工作量。CATIA，NX，Creo 等高端软件是上述主流 CAD 软件开发工作量的 4 倍以上， 这些高端软件的开发已经持续了数十年，并在与数十万、百万级最终客户持续迭代的过程 中改进和实现。国产替代“道阻且长”。

　　国外龙头公司经过几十年迭代，不仅技术层面“炉火纯青”，产业链生态环境也更加稳健。 产业链生态环境不仅仅是模块的扩展，还包括专家团队，服务商，以及供应链，Siemens PLM 全球有 150 家技术合作伙伴，Solid Edge 有 289 家第三方合作伙伴， Dassault System 全 球有 934 家技术合作伙伴，这些合作伙伴不仅是模块的供应商，同时也是其他 CAX 软件的 供应商，在工业设计软件的巨头绝大部分都是产业链公司，其产品也是平台型产品，已经 形成非常稳健的产业链生态。

　　当下，工业主流的数字化设计与制造都需要用到 CAD 系统这样的工具，而 CAD 系统的基 础底层支撑就是 CAD 平台，又称几何内核。几何内核本身市场很小，但它是所有 CAD系统的基石，如果将 CAD 系统比较为皇冠，几何内核就是皇冠上的明珠。

　　几何内核的主要作用在于建立、储存并处理几何模型，对外提供接口以方便上层 CAD应用的开发。维度方面，几何内核最早只支持简单的二维图素，到 70 年代中期开始可以表 达复杂拓扑结构的三维图素；建模方面，几何内核从简单的线框模型过渡到曲面模型和实 体模型，再到目前广泛使用的 B-Rep 模型和参数化特征模型。

　　几何建模是将现实世界中的物体及属性转化为计算机内部可数字化表示、可分析、控制和 输出的几何形体的方法。在 CAD 中，几何建模是产品信息化的第一步，它为产品设计分 析、工程图生成、数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、加工仿真、生产过程 管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件。

　　几何建模即是将物体的几何信息和拓扑信息转化成数字化模型的过程。几何信息一般是指 物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，这些信息可以用几何分量的方式表示，例如空间 里的一点可以用坐标值 x,y,z 表示，空间里的一条直线可以用方程式 Ax + By + Cz + D = 0 来表示。拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的连接关系，主要关系包括点、线、 面之间的相邻、相交、相切、包含等关系.

　　几何建模构造的模型一般有三种：线框模型、表面模型和实体模型，现有的 CAD 系统常 采用实体模型。

　　线框模型定义了点和线，适合线框图的显示，同时所需数据量小，但缺点在于存在二义性， 无法描述含有曲面的物体，且无法用于工程分析和物理计算。

　　表面模型定义了点、线和面，可以描述物体的表面特性，从而进行数控加工程序计算，在 数控加工中刀具轨迹的计算和物体表面特性有很大关系，直接影响到刀具轨迹的生成，但 缺点在于不具备零件的实体特征，不能在工程分析、物理特性计算方面使用。

　　实体模型定义了点、线、面、环和体，是以“体-面-环-棱边-点”的五层结构信息表示的 模型。体是由表面围成的封闭空间，表面是由棱边围成的区域，其内部可能存在环，例如 一个孔在一个表面形成了一个环，这些环也是由棱边组成。实体模型包含线框模型和表面 模型所有优点，并且还能满足物理性能计算和工程分析，例如质量、质心和重力等计算。 在产品设计中，实体建模技术更符合人们对真实产品的理解和习惯。

　　边界表示法（B-rep）是构造实体模型最常用的方法之一，著名的 ACIS 和 parasolid 几何 内核都使用的是边界表示法。

　　边界表示法（B-rep）是通过描述三维物体的边界来表示物体。构建时使用一组面围成一 个表面形体来表示三维实体，面由一系列的边组成，边一般通过两个点（曲线例外）来描 述。边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何信息和拓扑信息， 将面、边、顶点的信息分层记录，建立层与层之间的联系。（报告来源：未来智库）

　　ACIS 是美国 Spatial Technology 公司推出的采用 C++语言构造的三维几何造型平台，后被 达索集团收购。它集曲面、线框和实体造型于一体，并允许这三种表示模型共存于统一的 数据结构中。ACIS 提供从简单实体到复杂实体的造型功能，还提供了实体的数据存储功能 SAT 文件的输入、输出功能。ACIS 使用边界表示法（B-rep）建立实体模型。

　　实体（entity）是 ACIS 中最基本的单元，为模型中所有的永久对象提供了基本的模型管理 功能，实体可以分为拓扑、几何体以及属性三种，共同构成 ACIS 的底层数据结构。实体 通过 C++语言的 ENTITY 抽象类实现代码方面的定义以及数据的储存、恢复、回溯等。

　　拓扑实体记录了组成几何体不同元素之间的连接关系，拓扑实体的类型包括体（body）、 块（lump）、壳（shell）、子壳（subshell）、面（face）、环（loop）、线框（wire）、有向边 （coedge）、边（edge）和顶点（vertex）。

　　几何实体记录了几何体不同元素的几何形状和物理数值，几何实体的类型包括面、线、点 等。

　　属性实体通过给实体附加属性的方式附加系统或者用户的信息，属性可以是简单的数据结 构、指向其他实体的指针或者是与应用程序定义的变长度数据的连接等。

　　ACIS 构建模型时会使用实体分别储存拓扑信息和几何信息，再使用属性实体记录物体的 非形状信息。

　　拓扑实体组合形成拓扑结构树并储存拓扑信息。拓扑结构树中最顶层为体拓 扑实体，体拓扑实体又关联到若干个块拓扑实体，块拓扑实体又关联到若干壳拓扑实体， 每一层的拓扑实体会记录本层的拓扑关系并指向相应的几何实体和下一层的拓扑实体，最 终形成拓扑结构树。

　　拓扑实体指向相应的几何实体，几何实体记录几何形状与物理特性。几何实体是为构造几 何体增加模型操作功能的 C++类，它和模型一起被保存在 SAT 文件中。模型操作功能包括 模型数据的保存和恢复、模型操作历史记录及其回溯、变换以及为模型附加系统定义属性 和用户定义属性的功能。

　　ACIS 的接口主要分为 C++接口、MFC 接口和 Scheme 接口。其中 C++接口为最主要接口， C++应用接口主要有三个：DI 函数、API 函数和类。

　　ACIS 采取几何总线的商业模式，鼓励软件公司在 ACIS 上开发与 STEP 标准相兼容的集成 制造系统。在 ACIS 上开发的 CAX 系统可以共享几何模型，以及可以直接交换产品数据。

　　ACIS 几何总线由其开放体系结构和它的 SAT 构成，其核心提供了一个几何总线(ACIS geometry bus)，以连接其它的外壳(Husk)与应用程序。它使线框、曲面、实体的几何与拓 扑模型数据能够自由交换，当 SAT 模型在总线上流动时，不需任何翻译与解释。产品模型 从概念设计到制造过程，可能使用多个商家提供的应用，通过几何总线摆脱了数据翻译的 负担。

　　Parasolid 现隶属于德国西门子，Parasolid 由 130 多家软件供应商集成，为最终用户提供 350 多个基于 Parasolid XT 数据格式的应用程序之间 100% 的 3D 模型兼容性。 Parasolid 是严格的边界表示法（B-rep）几何建模器，即用实体的边界来表示这个实体， Parasolid 支持实体建模、直接编辑和自由曲面建模，并且同时将其强大的 B-rep 建模功能 扩展到基于面表示的模型。

　　PK 接口和 KI 接口是 Parasolid 的上层接口，由一组位于内核内而由外部调用的函数组成， 应用程序通过他们可以进行建模、操作对象和控制建模器的功能。

　　Frustrum（用户写的函数集）接口、图形输出（GO）接口和外部几何（FG）接口是 Parasolid 的下层接口，由一组位于内核外而由内核调用的函数组成。Parasolid 通过 Frustrum 接口 进行计算机的内存管理及文件访问等方面的数据管理；图形输出接口用于计算机图形设备 的驱动，实现三维模型的显示；外部几何接口用于应用程序中几何模型的处理。

　　几何实体记录了元素的物理信息和形状，包括曲面、曲线和点。拓扑实体记录了不同元素 之间的拓扑和连接关系，包括了体、区域、壳、面、环、翼、边和顶点。其它实体记录了 元素的属性和非物理信息。

　　Parasolid 数据读写：Parasolid 建模核心提供了文本（ACSII）和二进制（Binary）的文件 格式，即 X_t 文件和 X_b 文件。其中 X_t 文件的数据格式是公开的，所有的应用程序不必 借助 Parasolid 内核，就可以直接访问 Parasolid 模型文件的所有信息，同时可以将零件模 型存储为过去的任何一个版本。

　　Parasolid 数据可视化：实体生成的图形数据先通过一系列图形输出（GO）接口函数输出， 再通过 PK 接口的渲染函数输出实体图形。

　　Parasolid 拓扑实体的屏幕拾取功能：屏幕拾取功能是 Parasolid 的一项重要功能，用于从 一批给定的实体中拾取面、边和顶点等拓扑实体。

　　Parasolid 实体测量：Parasolid 在屏幕拾取提取边的拓扑信息后，可以使用 PK 接口提供的 函数在屏幕上测出实体边的长度和任意方向上的实体厚度。

　　西门子的 parasolid 和达索的 ACIS 是目前世界上两大主要的内核阵营。Parasolid 是目前 市场上最成熟、应用最广的造型内核之一，功能完备，系统稳定。

　　中望于 2010 年收购 VX 公司，拥有了自主 Overdrive 几何建模内核，是国内少有的实现商 业化应用、在工业设计领域被大规模实践验证过的三维几何建模内核技术。

　　ZW3D 的几何建模内核 Overdrive 主要由三个层次构成：内存与数据管理层、几何对象数 学算法层和三维造型实现层。

　　第一层为内存与数据管理层，包含内存分配与管理、序列化与反序列化、统一数据扩展框 架等模块，负责数据增、删、改，序列化与反序列化;为各种不同类型的数据库对象提供访 问方法，包括对象的遍历、查询等。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，是整个几何建模内核架构的基础。

　　第二层为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;实现点、线、面的基础求交算法、投影算法、 相切性判断;实现非均匀有理 B 样条(NURBS)算法;实现拓扑几何布尔运算、拓扑变化接口支 持等功能。为 ZW3D 几何建模内核提供数学支撑。

　　第三层为三维造型实现层，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，同时为模型校验、模型修复等功能提供支持。

　　ZW3D 平台的软件架构可分为四层，第一层是基于 OS (Operation System)的无关性封装层， 第二层是 ZW3D 几何建模内核 Overdrive，第三层为 ZW3D 平台基础设计实现层，包括实 体建模、曲面建模、参数化设计、CAM 加工与仿真、视图管理等模块，实现 ZW3D 平台 软件的各种设计功能。第四层是基于 ZW3D 平台的行业应用设计层。第一层至第三层构成 ZW3D 平台，第四层基于 ZW3D 提供的标准 API 框架，结合典型行业应用为 ZW3D 实现各 种二次开发功能。

　　参数化特征建模以实体模型为基础，提供用户特征设计手段，以参数驱动模型，设计者可 以通过添加、修改参数以达到建立、修改模型的目的，大大简化了产品的造型过程，并且 极大的方便了系列产品的设计过程。参数化特征建模是 CAD 发展史上的又一次飞跃，是新一代 CAD 系统的象征。

　　几何约束求解器是几何内核的重要组件，几何内核在进行参数化特征建模时，几何约束求 解器进行几何约束求解并定义、储存了模型各元素之间的约束关系，实现了参数化特征建 模。目前几何约束求解器主要被国外垄断，世界上主流的几何约束求解器为 D-Cubed 公 司的 DCM，其次是俄罗斯 LEDAS 公司开发的几何约束求解器 LGS。

　　特征建模是在实体模型的基础上，进行工程特征定义和设计。实体建模在表示物体形状和 几何特性方面是完整有效的，但实体模型中的操作主要面向几何（点、线、面）而非工程 描述（槽、孔、凸台），特征建模即建立了一个既适用于产品设计、工程分析又适用于制 造计划的统一的产品信息模型。

　　特征是一组具有约束关系的几何实体，约束关系则是由几何约束求解器进行定义。特征通 常可以分为形状特征、材料特征、精度特征和装配特征，其中应用效果最好和最成熟的是 形状特征设计。

　　形状特征设计是从设计者的意图出发，通过一组预先定义好的具有一定工程意义的设计特 征，引导设计者去产品设计，例如工程中常用的孔、槽、凸台、拉伸、旋转等。实体模型 应用形状特征的目的在于：简化产品信息模型中对底层几何元素的访问。例如，工程中大 量使用的孔、型腔、凸台的设计，简化为形状特征后，已经抽象成一个造型的基本特征单 位，而不再是圆柱、矩形这样的几何元素。建模时可以直接使用形状特征（例如在模型中 插入一个孔、插入一个倒角）而不需要用几何建模的方式重新构建。

　　参数化设计是指设计对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约定尺寸关系，设计结果 的修改受尺寸驱动。基本原理为：对模型中的一些基本图素施加一定约束，模型建好后， 尺寸的修改会立即自动转变为对模型的修改，例如构建一个长方体模型，对其长、宽、高 赋值后，它的大小就确定了，当改变长、宽、高时，长方体的大小也会随之改变。（报告来源：未来智库）

　　参数化设计主要解决以下三种问题：1. 零件形状具有相似性，区别仅是尺寸不同，2. 在 原有零件技术长做一些小改动来产生新零件，3. 设计经常需要修改。这些需求采用传统建 模方法只能重新建模，参数化方法提供了设计修改的可能性。

　　大部分参数化功能与特征建模结合使用，使特征模型成为参数的载体，提高了特征模型泛 用性。特征为圆柱螺旋压缩弹簧，其参数包括弹簧中径、簧条直径、有效圈数 和自由高。通过参数化设计，平台可以建造出多个形状相似、尺寸不同的圆柱螺旋压缩弹 簧模型，拓宽了特征模型的应用范围和效率。

　　界面层是由系统的可视化界面构成，是用户和系统进行交互的接口，用户可以通过界面层 直观地对系统操作进行约束求解；逻辑处理层是系统的核心层，所有的操作命令都在这里 得以处理和执行；数据持久层主要用来对系统的数据进行保存和传输，这里就是系统的大 脑，储存了系统的所有的信息。

　　约束主要分为距离约束和角度约束，常见的距离约束包括点点距离、点面距离等等；常见 的角度约束包括线线垂直、面面平行等等。几何约束系统的约束形式是多种多样的，但基 本约束形式只有简单的几种，其它所有的约束都可以用基本约束的组合来表达，比如半径 已经确定的圆与直线相切的约束可以转化为圆心和直线距离为半径的约束。约束度为 1 的 称为基本约束，其他的称为复合约束，复合约束皆可通过基本约束的组合而形成。

　　参数化制图：用户使用一组参数来约定尺寸关系，通过添加、修改参数来绘制、修改模型。 参数化制图不仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能和自动绘图的功能，还可以使设计人员 从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，从而大大提高设计速度，并减少信息的存储量。

　　几何约束求解：几何约束求解即在给定一组功能和一组约束的情况下，产生一个或一组部 件的详细的结构化描述，方法主要包括：变量几何法，基于规则的构造方法和基于图论的 构造方法。

　　几何约束求解的过程主要包括以下几步：1. 参数化绘制图形