计算机辅助设计（CAD），是指利用计算机的数值计算和图文处理功能辅助工程技术人员进行产品设计、工程绘图和数据管理的应用软件。CAD软件主要分为二维CAD和三维CAD，属于研发设计类工业软件，是航空、航天、船舶、发设计环节必不可少的关键工具汽车等高端装备制造领域研。我国CAD软件市场长期以来被法国达索、德国西门子和美国欧特克等国外巨头企业垄断，国产CAD软件集中在家电、模具等领域，在航空、航天、船舶、汽车等高端领域严重依赖进口，严重影响高端装备制造的自主技术创新发展进程。

1 CAD软件发展历程

1.1 国际CAD软件发展概述

1963年，在美国麻省理工学院首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想后，基于线框建模的专用CAD系统开始问世。随着计算机技术不断发展，国际上CAD技术的发展也历经了以下4次重大革命。

曲面造型技术革命。20世纪70年代，专家学者们提出了昆氏曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面，以及其改进型非均匀有理样条曲面等一系列曲面算法，解决了航空及汽车行业面临的大量自由曲面造型工程问题。法国达索公司基于以上曲面算法，在二维绘图系统计算机辅助设计与制造系统（CADAM）的基础上开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统交互式CAD/计算机辅助制造（CAM）系统，标志着CAD建模技术从三维线框模型上升为三维曲面模型，首次在计算机上实现产品零件主要信息的完整表达。

实体造型技术革命。20世纪70年代末至80年代初，边界表示和构造实体几何技术的出现，有效解决了曲面信息无法完整表示，存在歧义性和无效性的问题。美国结构动力学研究公司在美国的星球大战计划支持下，发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/计算机辅助工程（CAE）软件——交互式设计工程分析软件，标志着CAD建模技术从三维曲面模型上升为三维实体模型，实现了零件全部属性信息的精确表达，给设计带来了巨大的便捷性。

参数化技术革命。20世纪80年代中期，随着几何约束和特征技术的发展完善，在边界表示与构造实体几何技术混合模型的基础上增加几何约束的参数化实体造型方法被提出，解决了实体建模完成后修改难的问题。1988年，参数技术公司研制并发布了首款参数化CAD软件Pro/E，标志着参数化技术走向成熟。20世纪90年代后期，为了降低完全参数化造型系统的开发难度，结构动力学研究公司基于参数化技术提出将形状约束和尺寸约束分开处理的变量化技术，推出IDEASMasterSeries软件。随后，变量化技术逐渐被SolidEdge、SolidWorks等主流三维CAD软件应用，并不断改进。

直接建模技术革命。但难以适用需要对模型进行自由编辑的场景参数化建模虽然高效，。21世纪初期，随着模型的协调更新问题及模型更新的决策方案选择问题被不断解决，部编辑操作技术的直接建模技术被首次提出基于实体的局，允许用户对实体模型的几何元素进行直接编辑操作。2007年，美国参数技术公司收购了直接建模的先驱CoCreate，将SolidDesigner与Pro/E整合重构后发布了CAD设计软件Creo，标志着CAD技术迎来了新的变革。

1.2 我国CAD软件发展概述

我国从20世纪60CAM技术在造船年代中期开始研究CAD/、航空工程中的应用；2070、80年代，我国进入了CAD、CAE、CAM世纪引进与技术学习阶段，开展了与美国道格拉斯设备、洛克希德公司，德国梅塞施密特公司等欧美企业的合作，积极进行技术引进与学习，1986年南航自研的B-SURF三维CAD系统及其在无人机研制中的应用，标志着我国已经掌握了CAD/CAM技术基础；20世纪90年代，“甩图板”工程开始，极大地推动了我国CAD产业的发展，催生出包括凯思CAD、开目CAD、ComputerAidedXAlliance软件等一大批自主平台的二维CAD软件产品，以及基于AUTOCAD二次开发的InteCAD、艾克斯特CAD、天河CAD等产品；21世纪初，由于三维CAD技术的落后，以及国际巨头的围堵导致，我国CAD产业逐渐走向凋零；近年来，在西方国家“卡脖子”的背景下，国家层面加大对CAD产业的投入，中望龙腾、山大华天、上海新迪等企业通过收购、并购、自主研发、引进源码等多种路径加速突破CAD底层核心技术，我国CAD产业发展再次迎来加速期。

2 CAD软件关键技术发展现状

CAD软件关键技术是指CAD软件最核心的基础部分，主要包括几何建模引擎、约束求解器、图形渲染引擎，以及其他关键技术，CAD关键技术体系如图1所示。

图1 CAD关键技术体系图

2.1 几何建模引擎

几何建模引擎技术的核心是对建模数据的支撑及基于建模数据的各种建模算法的实现。国外主流的三维几何建模引擎包括Parasolid软件、计算机辅助信息系统软件、几何造型基础软件平台和三维建模引擎等，其中西门子的Parasolid与达索的计算机辅助信息系统软件已发展成为商用集合建模引擎两个最大的阵营。目前，具有自主知识产权的国产几何建模引擎有中望Overdrive、山大华天CRUX软件、华云三维基于自主几何建模引擎、中科大九韶内核AMCAX这4款。其中，中望Overdrive是通过全资收购美国VX公司，获得Overdrive内核的完整知识产权和源代码、全部核心研发团队，并在此后10余年持续地投入研发经费的背景下创造出的；山大华天CRUX是通过购买日本UEL公司CADmeister软件源代码，并吸收再创新；华天三维DGM和九韶AMCAX则是完全自主研发，但推出时间较短，工程应用水平有待检验。在技术层面，国产几何建模引擎在建模支持上已达到国际水平，以中望Overdrive为例，已支持特征建模、无参建模、混合建模等多种建模方式。但国产几何建模引擎在数据格式、建模精度、曲面曲线实现精度上距离国际主流水平有较大差距。

2.2 几何约束求解器

几何约束求解器是参数化/变量化特征建模的实现者，实现几何作图和计算求解的自动化。总体来看，西门子直流调速装置仍占据市场主导地位，应用广泛，行业认可度高，技术处于绝对领先地位。目前，国内暂无可商业化约束求解器，部分CAD厂商自研出的约束求解器对比西门子直流调速装置在自由曲线的曲率、梯度流等的控制及连续性约束支持等功能及性能上仍有较大差距，如华天软件2021年发布完全自主的几何约束求解器分散控制系统是目前仅有的一个国产几何约束求解器。

2.3 图形渲染引擎

图形渲染引擎。图形渲染引擎是CAD软件中的基础技术组件，决定了3D设计对象的真实呈现、保证前端设计的正确性。目前，国内不具备可用的图形渲染引擎，国内软件厂商大部分基于开放图形库或多媒体编程接口等图形应用程序编程接口自主研发图形渲染引擎，但仅能解决基础的渲染问题，限于端侧单机渲染，无法支持大场景、高质量渲染场景。

2.4 其他关键技术

a）装配技术

CAD中的装配技术是指将零件图或者部件图组合成一个整体的装配图的技术。CAD装配技术可以帮助设计者验证零件之间的配合关系，检查装配过程中的干涉和碰撞，以及进行装配仿真和分析。国产CAD软件产品在装配组装和约束、智能紧固件、装配爆炸、装配运动等技术方面已达到国际水平。

b）行业应用技术

包括钣金设计、模具设计、管道设计和汽车白身设计等解决行业专有工程问题的技术能力，其发展离不开大量行业工程知识的输入，由于国际CAD巨头构建的生态壁垒，国产CAD软件，尤其是三维CAD软件，缺少应用场景，行业应用技术水平较为落后。

c）应用开发支持

应用开发支持指上层应用快速地开发实现应用的能力，目前国产软件与国外产品仍有较大差距。以开放应用程序编程接口数量为例，欧特克AutoCAD二次开发软件数量达到1000个以上，而国产软件如中望CAD，仅有200个左右。丰富的开放应用程序编程接口使AutoCAD能够通过二次开发满足更为复杂、更大规模建模的需要，在下游客户的广度和深度上更具有优势，拓展了其用户群体，并反向促进AutoCAD技术进步，这是国产二维CAD软件与AutoCAD的最大差距，也是制约国产二维CAD软件应用的重要因素。

3 CAD软件发展中存在的问题

3.1 技术问题

几何建模引擎方面，国内的三维几何建模引擎正在从不成熟走向成熟，较早的引擎开始逐渐被淘汰，而另一些具有发展前景的引擎开始崭露头角，但是一些遗留下来的三维几何建模引擎的难点仍旧没有被攻克。在曲面建模方面，高效鲁棒的投影、求交、高阶连续曲面构建等问题尚未解决；在实体建模方面，高效鲁棒布尔操作、圆角操作、直接操作、容差建模等方面与国外差距较大；在模型交换方面，自动实体模型缺陷检测与修复算法等仍待突破；此外，在大规模场景下的计算性能、实时性与精度等方面，国产软件水平较低。

约束求解器方面，尽管目前国内已经有了基础的几何约束求解器产品，但是仍然面临着不少挑战和难点。约束求解支持方面，复杂二次曲线、参数曲线、方程式曲线的创建及表达，二维图元约束的不等式表达，复杂环面、样条线、参数曲线/曲面等复杂几何对象的创建及表达，三维几何对象的镜像、阵列和等距等复杂三维约束类型等方面有待突破；约束求解效率及稳定性方面，自由形式的几何约束、曲率、一阶导数、二阶导数、曲线和曲面等复杂约束类型的求解效率，大量自由曲线长度约束系统的求解稳定性，大量欠约束管道系统求解效率，大规模求解效率等方面较国外水平差距较大。

3.2 应用问题

历史设计数据资产迁移困难，替换难度大。国外高端CAD软件凭借其在工业企业的先发优势，工业企业积累了大量的历史数据资产。各CAD软件间自带的数据格式互不兼容，导致不能直接进行数据交互，目前虽存在产品模型数据交互式规范、初始图形交换规范等中性数据格式标准，但该类标准只保留静态几何模型信息，丢失了动态特征信息，导致模型失真，若进行国产替代，将导致大量历史模型数据不可用，降低工业企业研发创新效率。

盗版猖獗，国产CAD软件深受其害。目前国产CAD盗版问题屡禁不止的原因包括3个方面。

首先，早期国外CAD企业放任国内企业使用盗版软件，使企业形成了对盗版软件的依赖，同时也形成了国外软件产品垄断国内市场的局面；其次，三维CAD软件产品售价高昂，一套产品的价格从几万到十几万，甚至几十万不等，从而导致中小企业望而却步，选择盗版软件；最后，国内企业版权意识不足也是一个重要原因。盗版软件的猖獗给国产CAD软件企业的生存带来了巨大的压力，严重影响了国产CAD生态的健康发展。

3.3 生态问题

缺乏用户需求牵引，生态建设不完善。国内企业用户长期使用国外CAD软件产生的有效反馈，为国外CAD软件的升级迭代提供了大量帮助。然而对于国产CAD软件，由于缺少航空、航天、船舶、汽车等重点行业用户的有效反馈，导致国产CAD长期缺乏应用验证环境，无法形成需求和反馈的良性互动。标准符合性不足、行业知识积累差距大等问题的存在，进一步导致国产CAD软件发展动力和支撑不足，加大了突破国外CAD软件垄断的难度。

行业标准不完善，标准建设工作滞后。由于我国的CAD行业标准研制工作起步较晚，在标准研制、应用推广和体系建设方面存在较多不足。在标准研制方面，某些标准如《三维CAD软件功能规范》已经制定了10年以上，与如今的市场需求已经有所脱节，亟需适应市场需求的规范才能有效地推动三维CAD技术的发展；在标准推广和应用方面，全国三维CAD软件企业对标准认知和应用程度差异较大，在一些领域和行业还没有完全普及三维CAD技术，需要更多的宣传和推广；在标准适用性方面，部分标准主要适用于特定领域CAD软件应用开发和规范化方面，但在CAD软件的应用领域、问题解决方案、数据交换等方面还存在标准不够精准的问题；在标准统一性方面，CAD领域标准存在很多不同的标准，有些标准存在重叠范畴、细节不精确等问题，需要进一步制定和协调，形成更加统一的标准规范。

4 CAD软件发展趋势

4.1 云化CAD

随着云计算等新一代信息技术的发展与应用，组件化、云化和平台化已经成为CAD软件的重要发展趋势，微服务架构使得CAD软件更具灵活性和可扩展性，云计算则带来了计算资源平台的变迁，使得CAD逐渐向“计算在云上而交互在本地”的模式发展。云化和平台化在赋予CAD软件能够处理大规模复杂设计、解决实体建模鲁棒操作难题、实现多用户协同设计等优势的同时，也对云化CAD软件提出了并行化实体建模算法发展的新要求。云计算技术给国产CAD软件带来新的挑战的同时，也在一定程度上将国产CAD软件企业和国际龙头企业拉齐到了新的起跑线，是国产CAD软件弯道超车的重要契机。

4.2 基于人工智能的CAD

与人工智能技术融合产生的智能设计也是CAD技术重点发展方向之一，将推动CAD从设计师主导的人工建模向计算机主导的智能建模发展。机器学习技术可让计算机在一定程度上对设计师的设计、制造意图进行预测，实现对设计、制造语义的自动补全和识别，并完成实体建模操作，从而减轻设计师在概念设计和工艺规划阶段的工作量。虚拟现实技术、自然语言处理技术和计算机视觉技术将促使CAD软件从二维交互向三维智能交互发展，如通过手势、语言、草图来交互，也会推动正、逆向设计的融合。智能建模与智能交互相结合，正、逆向设计相互融合将极大提高产品设计的效率。

4.3 面向生成式设计的CAD

随着计算机优化设计算法的发展，可根据设计目标参数自动生成最优建模方案的生成式设计进入人们的视野。同时，得益于增材制造技术的完善，使得复杂几何结构的制造成为可能，生成式设计得以充分释放潜力，成为未来CAD软件发展的重要方向之一。这种设计方式可以帮助设计师优化零件强度重量比，模仿自然结构发展的方式，创造出可靠的机械结构，并最大限度地减少材料使用，在汽车工程、航天航空工程、船舶工程建造和机械工程等对优化设计和减重需求迫切的领域中有广阔的应用前景。

5 国产CAD软件发展建议

5.1 加快构建行业标准，统筹数据资产管理

支持国家级第三方单位牵头，组织国内CAD、CAE等领域软件厂商开展统一数据模型、文件格式和接口协议等方面的标准研制，协调标委会开展标准立项、评审、报批，组织研制单位开展标准宣贯、培训、咨询和实施效果评估等工作，对现有CAD历史设计数据逐步进行统一管理，破除不同软件产品之间数据格式的壁垒，畅通数据资产的流通渠道，建立以模型为基础的数字化设计体系。

5.2 强化协同创新和需求牵引机制，突破核心技术，培育良性发展生态

一是建立国家级的联合攻关平台，汇集高校、软件厂商、科研院所和重点龙头企业等优势研发力量，加强基础理论和工业机理研究，突破三维CAD几何内核、约束求解器和大型装配等核心技术。二是以重大工程、重点型号研制需求为牵引，在零部件设计、生产和型号研制过程中逐步试用国产CAD软件，并进一步扩大向国产CAD软件企业开放的应用场景，推动国产三维CAD软件的研发和改进与装备研制有效衔接。

5.3 把握新技术新需求，创新国产CAD发展新路径

结合人工智能、云计算、大数据等新技术发展的后发优势，创新国产CAD软件发展新范式，形成国产CAD软件差异化优势。将产品研发的需求贯穿于设计、仿真、制造和维护等环节的整个产品生命周期过程，以为企业提供服务，解决现代制造业的数字化和智能化需求为导向，采用多方共享和协同的方式，不断推动创新设计和优化产品质量。

5.4 完善人才培养机制，壮大专业人才队伍

一是鼓励CAD软件企业与高校、科研机构深化合作，完善数学高端人才、复合型人才等培养机制，共同开发CAD软件理论研究课程，开展CAD理论技术深度研究，建设产教平台，面向社会开放，加强教学实训与工程实践，发展壮大专业人才队伍。二是建立海外人才政策，吸引国外达索、西门子、美国参数技术公司等CAD厂商的高级人才回国发展，并给予配套的政策和资金支持。三是建设CAD领域人才评级与认证机制，开展职业教育认证和专业认证。

6 结束语

在当前复杂多变的国际局势下，找准自身差距、补齐技术短板、推动产业应用、完善生态建设，是推动国产CAD软件发展、实现自主可控、保障我国高端制造业产业链供应链安全的当务之急，应当引起相关政府部门、企业、高校、科研院所的共同关注。同时，各界应当凝心聚力，加强CAD软件在云化、人工智能、生成式设计等新技术理念，标准引领、需求牵引、协同创新、人才培养等新发展模式上的探索，发挥各自优势，共同找出适合我国CAD软件发展的有效路径，探寻国产CAD软件破局超车之道。

原文刊载于《电子质量》2024年11月 作者：工业和信息化部电子第五研究所 李凌莲 朱冬昀