工業軟件逐漸模塊化，擁有復雜且相互關聯的組成單元。常見的工業軟件產品中，大多是基于全球供應鏈開發，企業主要聚焦自己的優勢領域，公司之間通力合作而實現。（內容來源：計算機行業：工業軟件底層技術剖析）。

1.工業軟件模塊化，國產替代“道阻且長”

CAD軟件，如SolidWorks、Solid Edge、Inventor，一般要用到70個組件以上，核心組件包括幾何內核（主要有西門子Parasolid，達索ACIS），幾何約束求解器（主要有西門子DCM），圖形組件（主要有TECH SOFT 3D），數據轉換器（主要有達索與Tech Soft 3D）等，大部分CAD軟件的基礎框架都是基于這幾款基礎組件。

CAE軟件需要網格剖分器的組件（主要有Distene的MeshGems）。CAM軟件需要涉及到加工路徑的組件（主要有德國的ModuleWorks與英國的MachineWorks）。CATIA、NX、Creo等高端多學科MCAD會涉及更多的組件，其中有不少核心組件來自于第三方，甚至有些組件會來自競爭對手。

幾何內核：幾何內核是CAD 最基礎的核心組件，也是我們國家目前最關注的領域，主要的建模方式包括線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模等。

目前幾何內核的兩大主要陣營為西門子的Parasolid（全球200 多家客戶）和達索的ACIS（全球100多家客戶）。

幾何約束求解器：廣泛應用在草圖輪廓表達、零件建模參數表達、裝配約束以及碰撞檢查等場景中，為快速確定設計意圖表達、檢查干涉、模擬運動提供了強有力的支持，可幫助最終用戶提高生產效率。約束求解引擎也是最基礎的核心組件，目前最主要的產品是D-Cubed DCM。

目前正在使用DCM的知名CAD軟件公司包括西門子、PTC、Autodesk 等。

CAE網格剖分內核：主要用于仿真分析軟件的網格劃分，網格剖分內核方面主要的軟件是法國的MeshGems。

國產化替代在技術層面有一定難度。SolidWorks，Solid Edge，Inventor等主流的CAD軟件，代碼量在3000萬行到4500萬行代碼左右，大約需要3000~4500人一年以上的開發工作量。CATIA，NX，Creo等高端軟件是上述主流CAD軟件開發工作量的4倍以上，這些高端軟件的開發已經持續了數十年，并在與數十萬、百萬級最終客戶持續迭代的過程。

2.幾何內核：CAD系統為皇冠，幾何內核為明珠

當下，工業主流的數字化設計與制造都需要用到CAD系統這樣的工具，而CAD系統的基礎底層支撐就是CAD平臺，又稱幾何內核。

幾何內核本身市場很小，但它是所有CAD系統的基石，如果將CAD系統比較為皇冠，幾何內核就是皇冠上的明珠。

幾何內核的主要作用在于建立、儲存并處理幾何模型，對外提供接口以方便上層CAD應用的開發。

維度方面，幾何內核最早只支持簡單的二維圖素，到70年代中期開始可以表達復雜拓撲結構的三維圖素；建模方面，幾何內核從簡單的線框模型過渡到曲面模型和實體模型，再到目前廣泛使用的B-Rep模型和參數化特征模型。

幾何建模：產品信息化的源頭

幾何建模是將現實世界中的物體及屬性轉化為計算機內部可數字化表示、可分析、控制和輸出的幾何形體的方法。

在CAD中，幾何建模是產品信息化的第一步，它為產品設計分析、工程圖生成、數控編程、數字化加工與裝配中的碰撞干涉檢查、加工仿真、生產過程管理等提供有關產品的信息描述與表達方法，是實現計算機輔助設計與制造的前提條件。

幾何建模構造的模型一般有三種：線框模型、表面模型和實體模型，現有的CAD系統常采用實體模型。

線框模型定義了點和線，適合線框圖的顯示，同時所需數據量小，但缺點在于存在二義性，無法描述含有曲面的物體，且無法用于工程分析和物理計算。

表面模型定義了點、線和面，可以描述物體的表面特性，從而進行數控加工程序計算，在數控加工中刀具軌跡的計算和物體表面特性有很大關系，直接影響到刀具軌跡的生成，但缺點在于不具備零件的實體特征，不能在工程分析、物理特性計算方面使用。

實體模型定義了點、線、面、環和體，是以“體-面-環-棱邊-點”的五層結構信息表示的模型。

體是由表面圍成的封閉空間，表面是由棱邊圍成的區域，其內部可能存在環，例如一個孔在一個表面形成了一個環，這些環也是由棱邊組成。

實體模型包含線框模型和表面模型所有優點，并且還能滿足物理性能計算和工程分析，例如質量、質心和重力等計算。在產品設計中，實體建模技術更符合人們對真實產品的理解和習慣。

模塊化組件靈活搭配，幾何總線構建模型共享渠道

ACIS是美國Spatial Technology公司推出的采用C++語言構造的三維幾何造型平臺，后被達索集團收購。

它集曲面、線框和實體造型于一體，并允許這三種表示模型共存于統一的數據結構中。ACIS提供從簡單實體到復雜實體的造型功能，還提供了實體的數據存儲功能SAT文件的輸入、輸出功能。ACIS使用邊界表示法（B-rep）建立實體模型。

實體（entity）是ACIS中最基本的單元，為模型中所有的永久對象提供了基本的模型管理功能，實體可以分為拓撲、幾何體以及屬性三種，共同構成ACIS的底層數據結構。

實體通過C++語言的ENTITY抽象類實現代碼方面的定義以及數據的儲存、恢復、回溯等。

拓撲實體記錄了組成幾何體不同元素之間的連接關系，拓撲實體的類型包括體（body）、塊（lump）、殼（shell）、子殼（subshell）、面（face）、環（loop）、線框（wire）、有向邊（coedge）、邊（edge）和頂點（vertex）。

幾何實體記錄了幾何體不同元素的幾何形狀和物理數值，幾何實體的類型包括面、線、點等。屬性實體通過給實體附加屬性的方式附加系統或者用戶的信息，屬性可以是簡單的數據結構、指向其他實體的指針或者是與應用程序定義的變長度數據的連接等。ACIS構建模型時會使用實體分別儲存拓撲信息和幾何信息，再使用屬性實體記錄物體的非形狀信息。

3.幾何約束求解器：參數化特征建模的實現者

參數化特征建模以實體模型為基礎，提供用戶特征設計手段，以參數驅動模型，設計者可以通過添加、修改參數以達到建立、修改模型的目的，大大簡化了產品的造型過程，并且極大的方便了系列產品的設計過程。參數化特征建模是CAD發展史上的又一次飛躍，是新一代CAD系統的象征。

幾何約束求解器是幾何內核的重要組件，幾何內核在進行參數化特征建模時，幾何約束求解器進行幾何約束求解并定義、儲存了模型各元素之間的約束關系，實現了參數化特征建模。目前幾何約束求解器主要被國外壟斷，世界上主流的幾何約束求解器為D-Cubed公司的DCM，其次是俄羅斯LEDAS公司開發的幾何約束求解器LGS。

參數化特征建模主要分為兩個重要的部分：參數化設計和特征建模。

特征建模是在實體模型的基礎上，進行工程特征定義和設計。實體建模在表示物體形狀和幾何特性方面是完整有效的，但實體模型中的操作主要面向幾何（點、線、面）而非工程描述（槽、孔、凸臺），特征建模即建立了一個既適用于產品設計、工程分析又適用于制造計劃的統一的產品信息模型。

特征是一組具有約束關系的幾何實體，約束關系則是由幾何約束求解器進行定義。特征通常可以分為形狀特征、材料特征、精度特征和裝配特征，其中應用效果最好和最成熟的是形狀特征設計。

形狀特征設計是從設計者的意圖出發，通過一組預先定義好的具有一定工程意義的設計特征，引導設計者去產品設計，例如工程中常用的孔、槽、凸臺、拉伸、旋轉等。實體模型應用形狀特征的目的在于：簡化產品信息模型中對底層幾何元素的訪問。例如，工程中大量使用的孔、型腔、凸臺的設計，簡化為形狀特征后，已經抽象成一個造型的基本特征單位，而不再是圓柱、矩形這樣的幾何元素。建模時可以直接使用形狀特征（例如在模型中插入一個孔、插入一個倒角）而不需要用幾何建模的方式重新構建。

參數化設計是指設計對象的結構形狀基本不變，而用一組參數來約定尺寸關系，設計結果的修改受尺寸驅動。基本原理為：對模型中的一些基本圖素施加一定約束，模型建好后，尺寸的修改會立即自動轉變為對模型的修改，例如構建一個長方體模型，對其長、寬、高賦值后，它的大小就確定了，當改變長、寬、高時，長方體的大小也會隨之改變。

4.CAE有限元分析：基于CAD建模的工程分析與物理仿真

有限元分析是一個基于CAD幾何模型來建立CAE有限元模型的過程，主要分為有限元網格剖分、有限元單元分析、有限元整體分析三個步驟，有限元網格剖分則是整個過程中的重中之重。

有限元法是基于固體流動變分原理，把一個原來連續的物體剖分成有限個數的單元體，計算時先對每個單元進行節點分析，再根據變形協調條件把這些單元重新組合起來，進行綜合求解。

應用場景包括固體力學中的位移場和應力場分析、電磁學中的電磁場分析，振動特性分析，傳熱學中的溫度場分析，流體力學中的流場分析等。

有限元網格剖分：CAD幾何模型離散化處理

許多工程分析問題由于物體的幾何形狀較復雜或者具有某些非線性特征，很難通過解析方法求助精確解，因此人們借助計算機將CAD幾何模型拆分成有限個具有不同大小和形狀單元體的集合，這一過程稱為有限元網格剖分（也稱離散化），形成的模型即CAE有限元模型，后續的分析皆基于該模型。

有限元網格剖分基本原則

有限元網格剖分需要考慮的問題較多，所劃分的網格形式對計算精度和計算規模將產生直接影響，需要考慮的主要基本原則包括網格單元類型、網格疏密、網格數量、單元階次等。

網格單元類型：網格剖分時的單元類型取決于物體結構本身的形狀特點、綜合載荷、約束等情況，所選的單元類型應能逼近實際的受力狀態，單元形狀應能接近實際邊界輪廓，下表列舉了一些常用的典型單元和其應用情況。

網格疏密：通常采取將網格在高應力區局部加密的辦法，在計算數據變化梯度較大的部位，為了更好的反應數據變化規律，采用比較密集的網絡，而在計算數據變化梯度較小的部位，為了減小模型規模，則劃分相對稀疏的網絡。

網格數量：網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因素綜合考慮。

單元階次：單元階次主要分為線性、二次、三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元，選用高階單元可以提高計算精度，當模型形狀不規則、應力分布很復雜時可以選用高階單元。

高階單元優點在于：1.單元的曲線或者曲面邊界能更好的逼近模型的曲面和曲面邊界，2.高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數。但由于高階單元節點較多，計算規模也比普通單元大一些。

主流的有限元生成方法

目前主流的有限元網格生成方法包括映射法、基于柵格法、幾何分解法、拓撲分解法、節點連接法五種。目前，正在研究的網格生成方法主要是這幾種方法的混合使用及現代技術的綜合應用。

映射法：基本原理為先通過適當的映射函數將待剖分物理域映射到參數空間中形成規則參數域，對規則參數域進行網格剖分；再將參數域的網格反向映射回物理空間，從而得到物理域的有限元網格。映射法可以分為保角映射法、基于偏微分方程法和代數插值法三大類。

映射法的優點是：算法簡單、速度快、單元質量好、密度可控制。它既可生成結構化網格又可生成非結構化網格，既可生成四邊形單元網格又可生成六面體單元網格，可用于曲線網格生成，可與形狀優化算法集成，也可以和其他算法結合劃分網格等。

基于柵格法：用柵格覆蓋在目標區域，刪除完全落在目標區域之外的柵格并對物體邊界相交的柵格進行調整、裁減、再分解，最后對內部柵格和邊界柵格進行柵格級的網格剖分。基于柵格法主要分為正則柵格法和有限四（八）叉樹法。

幾何分解法：在幾何分解法中，近年來形成了一種最為成功的全自動網格生成方法——推進波前法。推進波前法首先離散模型邊界并稱為前沿；然后從前沿開始，依次插入一個節點，并連接生成一個新的單元；更新前沿并循環向內部推進。推進波前法對復雜的幾何形狀與邊界的網格生成具有很高的靈活性及可靠性，且比較容易實現方向性精細化，但效率有待改進。

拓撲分解法和節點連接法也是目前主流常用和研究的有限元網格剖分算法。網格剖分的實際應用中，由于模型的不規則性和復雜性，往往會根據模型特點進行模型拆分并進行多種算法的結合以及綜合應用。

文章來源：智能計算芯世界