近年来汽车工业CAD/CAM/CAE系统选型趋向

摘要：本文共由三部分组成。（一）以近30年的CAD技术发展史为主线，概述了各个阶段CAD技术的重大进展以及技术特点。（二）介绍当前主流的CAD基础技术理论，并对不同流派的造型技术进行简析及比较。（三）就用户共同关注的CAD/CAM/CAE系统建设问题，介绍汽车工业近年来的选型趋向。
    关键词：线框，曲面，实体，约束，尺寸驱动，约束驱动，参数化，变量化，造型

    汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平。世界经济大国的经济发展无一不与汽车工业有着极为密切的关系。汽车工业的前一、二名即是全球企业的冠、亚军，似乎能很好地说明这一点。抛开遥远的欧美不谈，我们只需将眼光放在亚洲邻国，日本和韩国都是主要在汽车和电子这两大工业取得飞速发展后，带动了整个国民经济的腾飞。因此，汽车工业对国家的重要性可想而知。作为制造业的中坚，汽车工业一直是CAD/CAM/CAE系统应用的先锋。CAD技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了CAD技术的发展。多年来，汽车业的选型趋向一直是CAD/CAM/CAE技术发展的晴雨表，也是业内人士关注的焦点。因此，重温近几年来汽车业巨子的选型过程，了解他们应用CAD/CAM/CAE技术的现状，无疑会对国内CAD用户的选型决策起到重要的参考作用。

    1.汽车业面临的问题

    随着汽车产量的大幅度提升和保有量的相对固定，导致竞争加剧，使得每辆汽车的利润大幅度下滑。如何在提高质量的前提下，在产品开发的每一个环节上降低成本，成为汽车制造商孜孜以求的目标。而竞争的加剧，则更要求汽车制造商要更快地将高质量的新车型推向市场。
    汽车制造业是技术密集型和劳动密集型产业。为降低生产成本和减少污染，汽车制造商往往将劳动含量高、技术含量低的配件厂建在海外。因此，协同开发、数据共享又成为了制约产品上市周期的重要因素。进入九十年代以后，CAD技术的应用成本相对于二十多年前来说，已不算太高，而产品开发的成本却在不断上升，其中开发工程师的成本上升的尤为明显。
    因此，基于以上考虑，易学好用、设计/分析/制造一体化的软件一直备受企业的青睐；同时，支撑整个企业产品信息的框架式软件──产品数据管理系统（PDM），也逐渐为众多的汽车制造商所接受。

    2.汽车业巨人们如何打算

    近几年来，面对居高不下的生产成本和日渐削减的利润，汽车制造商们发现盲目地引进种类繁多的、大量的软件未必能解决企业正在面临的问题。彻底改造研发环境才是真正的出路。于是各大汽车制造商面向整个企业信息系统的改造计划都在紧锣密鼓地蕴酿之中。以下为几个主要的汽车制造商所提出的计划：
    福特： "福特2000年"，C3P项目；
    马自达： "数字改造计划"；
    日产： "业务过程革新"；
    雷诺： "产品设计及生产环境重组"；
    日野： "并行工程计划"等等。
    下面重点以福特汽车公司的软件选型为例，重温这个引起全球业界震动的典型案例。

3.史无前例的软件选型──福特建立C3P体系

    1993年，福特汽车公司制定了面向21世纪的"福特2000年"长远发展规划，决定彻底改造自己的计算机应用状况。福特的目标是：一个新车型的开发周期从目前的36个月缩短到18个月乃至12个月；新车开发的后期设计修改减少50%；原型车制造和测试成本减少50%；投资收益提高30%。
    福特希望用一个产品数据管理系统（PDM）把计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）集成起来，融汇到一个遍布全球的公用数据系统之中，即C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）。这是C3P概念在整个业界第一次正式提出。
    历经各个历史阶段的选型与积累，福特内部使用着多种CAD系统：大量的CADDS5与CATIA，还有一些PTC公司和SDRC公司的产品，主要系统是自己开发的PDGS系统。由于庞大的设计工作量，在各个系统之间进行数据交换常常浪费大量时间，同时还会产生数据丢失现象；有时为了找到自己所需要的数据往往要化费很多时间和精力，还经常发生数据混乱现象。福特下决心以C3P为标准，在全球CAD行业中选出一个适合自己的、高度集成的核心式主流软件系统，实现一致性的设计/分析/制造数据表达。
    福特首先在内部统一了思想认识："我们是造车的，不是做软件的"。自己的PDGS虽然实用功能很强，但毕竟在软件技术上已经落伍，不符合C3P的要求。福特决定依托一种商用CAD系统，然后将PDGS的功能向它移植。整个选型过程持续了两年时间，几乎世界上所有的大型CAD软件供应商都加入了竞争的行列。
    首先是UG、然后是CV、继而是CATIA被从竞争的行列中排除出去。因为这些软件的体系结构都已老化、久未更新；软件技术已经落后；学习、应用和实施起来比较困难。而且，他们不能提供适合福特要求的企业级PDM产品。所以他们都相继被淘汰。最后的竞争主要集中在PTC和SDRC的软件产品上。整个分析比较的过程严格、审慎，论证充分。
    在激烈的竞争过程中，PTC考虑到由于从未在大型汽车企业中获得主流软件的地位，对今后发展不利，故投入了巨大的精力来争夺这一项目。为增强竞争实力，PTC兼并了三家主要的汽车工业造型软件（AliasWavefront、CDRS、ICEMSurf）之一的CDRS；同时为了增强CAE方面的功能，又购买了RASNA公司，将它的分析软件集成到Pro/E当中。
    但是经过反复比较，充分论证，福特汽车公司最终选择了SDRC作为其长期合作伙伴；选择IdeasMasterSeries作为其主流核心软件，以集成其它CAD系统上的开发成果；选择MetaphaseSeries作为其全企业信息系统的集成框架。其论证过程中的几项条件如下：
    软件公司的独立性及财政情况：财政情况独立、良好的软件公司才能够持续不断地开发出新的软件技术；
    软件技术的领先性和技术的可持续发展性：由于CAD技术发展很快，如果在技术上不领先或技术已发展到尽头，则将会在激烈的市场竞争中处于劣势，导致最终因技术落后而被淘汰；
    技术支持能力、工程经验以及软件公司的可合作性：软件公司本身必须有丰富的工程经验，才能真正了解用户的需求并付诸实现；在技术的发展方向上应能满足用户需求（可合作性），同时有强大的工程师队伍帮助用户迅速掌握软件，快速解决使用中的问题；
    CAD/CAM/CAE/PDM各方面技术都比较领先，可为企业提供全面解决方案：C3P技术的最终实施应用，才能为企业带来根本上的好处，为企业加强综合竞争力打下良好基础；
    软件的易学易用性：软件必须通过人来发挥效率，如不能易学易用，自然很难发挥应有功效；
    有强大的大用户群支持：由于大用户在实际应用中会遇到各种问题，这些问题一般具有普遍性，从而促使软件公司不断解决这些问题，带动技术更新。
    基于以上六方面的分析考虑，结合严格的评审和适量的考题测试，福特汽车公司得出了类似本文上期（第二部分）的结论：Pro/Engineer是很好的造型软件，在已定型的系列化零部件造型方面极易发挥特长，但由于参数化技术的局限性，在结构形状不断变化的概念设计阶段却显得无能为力；IdeasMasterSeries是很好的机械工程软件体系。相对于参数化技术，SDRC的变量化技术给设计者提供了更大的方便性和创造空间，其技术的发展更具潜力；SDRC提供C3P解决方案的综合实力是目前世界上最强的，PTC尚不具备完善的C3P能力；SDRC由于多年从事技术服务和咨询工作，对于工程的理解以及解决工程实际问题的能力较强；特别是SDRC长期服务于福特所表现出来的合作精神等。所以最终选择SDRC作为长期战略合作伙伴，双方签定了高达2.1亿美元的合同。福特及其配件厂商将在2000年底以前从SDRC公司购买约15,000套IdeasMasterSeries软件和约12,000套的MetaphaseSeries软件的使用权，成为世界CAD发展史上迄今为止最大的一次采购合同。这次选型是一次颇具代表性的CAD选型，对业界产生了深远的影响。

    4."福特效应"

    伴随着大型汽车制造厂商开始选择主流软件的浪潮，很多汽车企业开始启动了自己的选型计划。他们各自的选型方式皆有不同，但以上福特所列的六个选型要点却都考虑在内。相近的选型要点必然得出类似的选型结果。继福特之后，又有了马自达、日产、雷诺、日野等等。在近三年这些新的大型选型过程中，SDRC公司赢得了约80%的合同，这种现象被业界评论家称之为"福特效应"。
    一个有趣的现象是，在决胜阶段几乎都是SDRC与PTC展开最后争夺，因为只有这两种软件才真正代表着九十年代CAD技术发展的最高水平。时至今日，PTC虽获得了相当多的汽车零配件厂商用户，却仍未获得重要的整车汽车制造厂商的订单。这就不难让人理解为什么PTC不惜举债而倾全力收购CV──CV的用户群和PDM产品是PTC急需的战略资源。
    附表为近三年选择SDRC软件作为主要技术支撑的汽车业厂商。
汽车制造厂商 国家 选用核心CAD软件 选用PDM软件 合同日期 合同额($万) 产品范围
福特 (Ford) 美国 I-deas Master Series Metapahse 1995/12/19 $20,700 整车
日产 (Nissan) 日本 I-deas Master Series Metapahse 1998/1/7 $10,000 整车
雷诺 (Renault) 法国 I-deas MS + Euclid Metapahse 1998/2/11 $3,500 整车
马自达 (Mazda) 日本 I-deas Master Series Metapahse 1996/12/19 $3,100 整车
奔驰 (M-Benz) 德国 CATIA Metapahse 1996/2/5 $600 整车
克莱斯勒 (Chrysler) 美国 CATIA Metapahse 1998 　 整车
数字流程 (DIPRO) 日本 I-deas Master Series Metapahse 1997/2/23 $6,500 配件
日野 (Hino) 日本 I-deas MS + TOGO Metapahse 1998/1 　 整车
丰田 (Toyota) 日本 TOGO-CAD (I-deas) 　 1997/2 　 整车
本田 (Honda) 日本 CATIA + I-deas MS 　 1997 　 整车
现代 (Hyundai) 韩国 CATIA + I-deas MS 　 1997/3 　 整车
嘎斯 (GAZ) 俄罗斯 I-deas Master Series 　 1996/2/13 　 整车
塔塔 (Tata) 印度 I-deas Master Series Metapahse 1996 　 整车
Mahindra & Mahidra 印度 I-deas Master Series 　 1997 　 整车
帕金斯 (Perkins) 英国 CADDS5 + I-deas MS Metapahse 1996 　 发动机
固特异 (Goodyear) 美国 I-deas Master Series Metapahse 1996 　 轮胎
米其林 (Michelin) 法国 　 Metapahse 1997 　 轮胎
Lear Corperation 美国 　 Metapahse 1997 　 配件
PICO/Wisne 美国 I-deas Master Series Metapahse 1997/12/27 　 配件
Johnson & Johnson 美国 I-deas Master Series Metapahse 1996 　 配件
Mack Truck 美国 　 Metapahse 1997/10 　 配件
Allied Automotive 美国 　 Metapahse 1997 　 配件
ITT Automotive 美国 　 Metapahse 1997 　 配件

5.汽车业人士如是说

    福特公司副总裁NeilRessler先生："C3P是由福特主导的一次对设计自动化环境的重新武装，它具有十分重大的意义。我相信C3P项目将为福特带来极大的竞争优势。"
    福特C3P项目总经理RichardRiff博士："我们已经超额完成任务。当我们开始时，不少业内人士说在四年时间内完成C3P几乎是不可能的。我们要证明他们是错的，我们会比原计划更快地实现这一目标。"
    雷诺科技信息系统部主任FrancoisPistre先生："选择象SDRC这样世界级的软件供应商，与马特拉一起参与我们车辆工程，将会帮助我们在雷诺成功地进行前所未有的、最广泛的产品设计及生产环境重组工作。融汇SDRC与马特拉的丰富的汽车专业经验以及来自双方的广泛的先进设计/制造技术，将使雷诺受益匪浅。这对保持雷诺在当今市场上的强有力的竞争地位是至关重要的。"
    日产公司工程系统部的总经理JojiMadusa先生："单一CAD/CAM/CAE系统可使车身曲面、动力总成、实体设计以及零部件设计实现标准化，这将使得整车开发全过程获得极大的并行性。"
    日产董事会成员、业务过程革新部总经理YoshimichiUrabe先生："日产公司在全球范围内开发、制造和销售汽车产品。日产需要开发制造出让客户满意的车。为此，我们需要集我们所有之技术秘诀、过程知识以及具有全球性资源的优点来不断改进自身，以全新姿态进入下一个世纪。从这方面考虑，来自SDRC的IDEAS和Metaphse技术将是帮助实现我们的目标──并行工程的最有效的工具。在日产全球部门进行的业务过程革新，将改进产品质量、减少成本和缩短上市时间，这将是引人注目地改进全部产品性能的强大的驱动力，也是达到日产业务目标的关键因素。"
    马自达项目总经理MitsushiroNiimi先生："在技术是第一生产力的今天，要想在全球大市场中占有一席之地，必须不断地改进技术。马自达选择了IDEASMasterSeries是因为它在曲面造型、实体造型、仿真分析、制造、测试和并行工程方面的强大功能，并且该软件是使马自达在数字改造计划中获益并急需的技术。我们对与SDRC公司业已建立的密切合作关系很满意。""MetaphaseSeries2软件将能够使马自达在开发方面具有企业级的并行工程工具。这意味着我们的工程师将能够更密切的并肩工作，快捷、可靠地享用工程数据。采用这一并行工程手段将帮助马自达更有效地通讯，降低开发费用，缩短产品上市时间。"

    6.汽车业计算机应用未来发展趋势

    高质量、低成本、更快的产品上市时间和更新的产品式样是企业注定要追求的共同目标。通过福特的选型案例以及上述汽车业人士的论述，我们至少看到了以下四个方面的汽车业计算机应用未来发展趋势：
    改进企业过程──有效地利用企业资源，步入全球性大协作；
    核心式工程工具──实现电子（或数字）样机需要核心式的主模型技术；
    数据管理及控制──用PDM系统构建企业信息框架，实现企业级信息共享；
    集成的供应链──制造厂商与零配件供应商的日趋紧密的信息共享形成集成的供应链。
    以上发展趋势也可为其它制造业用户参考。

    7.结束语

    温故而知新，知新而更上层楼。本文以连载形式回顾CAD技术30年的发展历史，讨论了当代主流CAD软件技术和应用状况。重点在于软件基础造型技术及软件体系结构，而未就各软件的一些实用性功能展开论述。每个提及的软件都具有相当的实用性。但是实用性毕竟与软件基础造型技术及软件体系结构是两码事，只有两方面都过得硬才能得以长期发展。不少软件在不同的历史阶段也曾占据过主导地位，其根本原因在于曾有过先进的指导思想，在当时技术上处于领先地位。但是技术的发展总是在不断地推陈出新，没有一项技术能够长盛不衰。停滞不前的技术将很快地淹没在历史的长河中。只有不断创新，才能在激烈的竞争中立于不败之地。
    参数化技术和变量化技术是当今的主流CAD造型技术。参数化技术在今天仍具有一定的领先性和相当的代表性，竞争力仍然很强。但是参数化技术的许多缺陷已经逐渐被越来越多的人所了解。更新一代的变量化技术所带来的灵活性及方便性已不断得到人们的承认，随着自身技术的不断完善，已向参数化技术提出了严峻的挑战。今后的CAD技术市场将主要是这两种技术逐鹿中原。孰能执牛耳乎？读者当拭目以待。

见识了

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