计算机辅助设计在工作的应用越来越普遍，机械设计师该使用什么软件设计和优化产品，哪些工具可以更好的为我们服务，是一个业内普遍关心的问题。本文对市场上的主流计算机辅助设计软件做了概括说明，介绍计算机辅助设计对于产品优化设计的应用。
关键词：机械设计，CAD，辅助设计，产品优化
1 引言
计算机辅助设计从上世纪60年代发展至今，已经在各行业的机械设计工作中被广泛应用。在实际工作中，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）这三种技术最常用。很多人对于计算机辅助设计知识掌握不够，不知道该选择使用哪些CAD、CAE、CAM工具来帮助自己解决问题。本文通过介绍计算机辅助设计对于产品优化设计的应用，希望给机械从业者以参考和启迪，提高设计水平和工作效率。
2 计算机辅助设计CAD/CAE/CAM的应用
2.1. 计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计CAD，全称为Computer Aided Design。我们经常听到的CAD有两个常用的概念：一个是狭义的，仅仅指用计算机软件绘制设计图模拟实物，例如使用软件绘制二维或三维图；另一种是广义的，泛指所有会用到计算机的设计，不仅是几何建模，还包括数据采集，分析模拟，数据管理，工艺设计，数控编程等[1]，如图 1。本文题目中的“计算机辅助设计”是广义的概念。
图 1 广义CAD与CAD/CAE/CAM对比
本小节内容里的CAD是狭义的概念，指用计算机辅助几何绘制实体模型，构建装配体，制作工程图等。
在2015年一份关于主流CAD软件市场份额的调查问卷中显示：达索系统（旗下软件包括Solidworks，CATIA）和Autodesk公司（旗下软件包括AutoCAD， Inventor，Fushion360）占据超过一半的市场份额，如图 2：
图 2 CNCCookbook 2015年主流CAD软件市场份额
而在细分的高端CAD设计软件中Solidworks、UG/NX、Pro/E、CATIA、Creo排在前5名，占据高端市场的九成以上，如图 3。
图 3 高端CAD设计软件市场份额
这几款三维设计软件可以说都是集CAD/CAE/CAM于一体的数字化产品开发解决方案，都具有几何建模、实体装配、工程制图、仿真分析的功能。因为软件开发时的背景不一样，所以应用的行业和领域也有些区别。
Creo Parametric，旧称Pro/ENGINEER，是美国参数化公司（Parametric Technology Corporation，PTC）发布的一款三维设计软件。该软件是第一个运用参数化设计实体造型思想的三维设计软件。现在多用于小家电及消费电子，工业自动化产品设计。
CATIA，全称Computer Aided Three-dimensional Interactive Application，起初是作为达索航空公司内部使用的辅助设计软件，用来设计幻影战斗机，CATIA v1由达索系统公司于1981发布。随后美国波音公司、通用动力公司采用它作为自己公司的设计软件，而被越来越多的公司用在了高端产品设计制造上。现在用的最多的是航空航天、交通汽车类行业。
NX全称是Unigraphics NX，在国内更多人简称它为UG。几经转手现在被西门子收购。同样作为一款高端的CAD/CAE/CAM软件用于发动机设计和模具设计行业。
Solidworks是被达索系统收购的一家公司，其公司名称也是软件名称。相比于CATIA，它定位中端，曲面编辑和装配功能要差一些，但是上手容易，学习成本低，且软件售价相比较其他几款软件来说算低的，中小型企业的公司大多数都在用。
AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design）是Autodesk（欧特克）公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，是其代表作品。在机械设计过程中主要用于二维绘图，工程制图。虽然后来添加了三维设计的功能，但是没有以上几款主流三维设计软件好用。
企业一旦选定某一种CAD软件作为设计部门常用工具，出于采购成本、培训成本、产品延续性等方面考虑，一般不会轻易变换软件。而同行业的公司为了保证数据的通用性（比如国内汽车企业为了使用国外车企的图纸和数据）一般也会选择使用相同的设计软件。
CAD软件大同小异，对于机械设计工程师而言，熟练使用其中一种，其他的上手很快。使用CAD工具能让我们更快更清楚的把我们脑海的构思作品展现出来，方便讨论问题，优化我们的设计，节省更多的时间，让工作更加高效。
2.2. 计算机辅助工程（CAE）
计算机辅助工程CAE，全称为Computer Aided Engineering。而经过几十年的发展研究，其应用范围已经囊括了力学、热、流体、电磁的自然界四大基本物理场，并且已经发展到多场耦合技术[2]。随着企业信息化技术的不断发展，CAE现已成为各大企业中设计新产品过程必不可少的一个工具。
在高端CAD设计软件中大多数都有集成CAE分析模块，其最大的优势在于模型数据不需要再次转换直接在本软件中模拟分析，如果CAE分析的结果不符合设计要求可以快速修改设计数据重新分析。但是缺点是集成的CAE功能相对比较简单，适合做一些常规的机构模拟、静力、动力学分析、产品机械性能分析等。表 1是集成了CAE的高端CAD软件统计表。
表 1 集成了CAE的CAD软件
市场上有单独的CAE软件，其优势在于拥有丰富的分析模块（静态/动态，线性/非线性，力/声/光/电/磁等完善的物理场景），快速高效的解析算法，良好的数据处理界面，通过近几十年来在各个不同行业的大量实例反复验证，其解决问题的能力和效率，得到学术界和工程界的一致认可。
2011年01consulting公司发布了一份调查数据，列举了CAE软件的市场份额全球排名靠前的13家公司，如图 4：
图 4 全球CAE软件营收前13名公司
ANSYS公司通过研发和并购，目前ANSYS Multiphysics、ANSYS CFX、ANSYS FLUENT、ANSYS Workbench等多款知名软件尽归其门下，为企业提供了丰富而有效的解决方案。ANSYS是目前市场上占有率最高的软件。自ANSYS 7.0开始，推出ANSYS Workbench协同仿真环平台，使用更加流程化的方式，确定分析任务——分析任务细分——进入各个子单元进行操作，用起来思路清晰，符合现代Windows平台软件的操作习惯[3]。很多大型公司都使用ANSYS作为CAE的分析软件。
MathWorks是为工程师和科学家提供数学计算和基于模型的设计的软件开发商和供应商，公司开发的MATLAB和Simulink的在计算生物学、芯片设计、控制系统、图像处理与计算机视觉、数据科学、物联网、机器人、机器学习、信号处理、无线通信等领域均有广泛应用。
MSC公司旗下拥有10几个产品，如Nastran、Patran、Marc、Adams和Dytran等，覆盖了线性分析、非线性分析、显式非线性分析以及流体动力学问题和流场耦合问题。
Dassault Systemes（达索系统公司）于2005年收购了Abaqus将其改名为Simulia。
Autodesk公司的Moldflow是最常用的注塑模拟分析软件。
Altair公司的HyperMesh（现作为一个模块集成在HyperWorks中）是一款强大的有限元前后处理软件，经常作为前处理步骤（划分网格，添加属性和约束等）与其他有限元软件合用。
值得一提的是COMSOL则是以多物理场耦合仿真见长，在CAE软件大军中独树一帜。其计算速度很快，设置耦合条件与界面操作都很方便。
另外，在市场中占有一定份额的还有如前后处理软件ANSA、Truegrid，铸造仿真软件ProCAST、MAGMA SOFT等一批专业CAE分析软件。
一般来说，固体分析选用ANSYS和ABAQUS较多，如果是强非线性过程的话首选ABAQUS，它是公认的最好用的非线性有限元分析软件。涉及动力计算的一般用LS-DYNA（1996年ANSYS与LSCT公司合作推出了ANSYS/LS-DYNA），是公认的计算冲击，碰撞问题的最好的软件。Nastran则在汽车领域使用较多。
据不完全统计，目前有超过200种仿真分析软件被全球企业所使用着，CAE软件已经逐渐的被更多的工程人员所接受，进行产品的仿真、分析与优化。借助CAE工具，我们可以确保产品设计的合理性，减少设计成本，缩短设计和验证周期，找出产品设计最佳方案，降低材料消耗，模拟各种实验，减少试验时间和经费，在产品制造前预先发现潜在的问题，优化产品设计，给工程师提供一个正确而高效的设计方向。
2.3. 计算机辅助制造（CAM）
计算机辅助制造CAM，，全称为Computer Aided Manufacturing，一般说来CAD偏重于产品设计过程，CAM偏重于产品生产过程。其核心是生成代码用来控制CNC（Computer Numerical Control）机床加工产品。
早期的数控机床还是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制。现如今，除少数简单零件结构（如法兰上的通孔）使用手工编制数控程序外，绝大部分多轴加工程序都借助CAM软件来规划刀具路径，并通过合适的后处理程序将多轴加工刀具路径输出为适合该类型多轴加工机床使用的数控加工代码[5]。
CAM最早应用于汽车和航空工业领域中。现在至少有几十种CAM软件被广泛应用于船舶、飞机、模具和各种机械制造业上，主要是用来做机床加工的编程和仿真。
对于CAM软件，美国CIMdata数据分析公司的2014年软件市场分析报告给出了一份数据，如图 5：
图 5 CIMdata 2014年CAM软件市场分析报告
由图可以看出，应用较广泛的CAM软件主要有Vero Software, CNC software, Delcam和参数化公司、西门子、达索三巨头等。
在工作中，我经常遇到两种情况：一是找手板厂商使用CNC机床加工制作样板零件来验证设计，二是需要模具厂商加工注塑、吹塑、冲压模具。而这两种情况的应用，都离不开CAM的帮助。在制作手板件时，使用CAM软件编程，可以将工程师给出的模型数据很快地导入到CNC机床上，加工中心可以运行编程数据，自动调换刀具，大大减少生产周期，降低成本。在制作模具的过程中，通过CAM仿真模拟，在切削加工实体模具之前就能看到加工后的工件状态，对比完成后的产品与设计零件的区别，如有错误可以及时修改模具设计参数，避免不必要的损失。
3 结论
计算机辅助设计在各个行业应用的越来越广泛，本文主要介绍了计算机辅助设计CAD/CAE/CAM在机械工程师实际工作中的应用。由于能力有限，有的地方没能详细展开来分析讨论。希望本文能对机械从业者有所帮助和启发，使用好这些工具来辅助我们优化产品设计，事半功倍地完成工作。
4 参考文献
[1] 王定标, 向飒, 郭茶秀. CAD/CAE/CAM技术的发展与展望[J]. 矿山机械, 2006(5):115-118.
[2] 王自勤. 计算机辅助工程(CAE)技术及其应用[J]. 贵州工业大学学报:自然科学版, 2001, 30(4):16-18.
[3] 张夕琴. CAD/CAE技术在机械设计中的应用[J]. 装备制造技术, 2007(12):109-110.
[4] David Littlefield. Metric Handbook: Planning and Design Data (3rd Edition) [M]. North Miami Beach: Routledge. 2008, P43.
[5] 曹季平, 史欣欣. UG/CAM在模具制造行业中的应用[J]. 机械工程师, 2016(10):113-114.
