工業(yè)軟件破局 汽車零部件的內(nèi)痛

(圖片來源：攝圖網(wǎng)）

作者|張偉、郭志鵬  來源|知識自動化(ID：zhishipai)

誰在驅(qū)動汽車制造的飛躍

自從2009年中國成為全球最大的汽車銷售市場，連續(xù)十一年保持不變。而自主品牌也很爭氣，市場份額也達到40%以上。這背后是一個巨大的零部件市場，2021年規(guī)模將達到4.3萬億元。然而，目前只有不到20%的零部件實現(xiàn)了完全自主供應(yīng)，絕大多數(shù)零部件產(chǎn)業(yè)仍然由外企壟斷。實際上，汽車整車及零部件仍是我國第二大類進口工業(yè)品，僅次于集成電路。

而作為民用工業(yè)品的皇冠，汽車由超過2萬個零件構(gòu)成。一輛汽車的總成本中，零部件成本要占到70%-80%。汽車零部件的質(zhì)量決定了汽車整個生命周期質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家的零部件和整車產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)值比例，一般超過1.7:1，而我國只有1:1，國內(nèi)汽車零部件外資、合資企業(yè)平均利潤率約為10-15%，而自主企業(yè)利潤率大部分在2-3% 。

那么皇冠制造中的低端制造區(qū)，如何破局？

CAE仿真是答案之一。

計算機仿真CAE軟件可以顯著減少試驗頻次，降低研發(fā)成本，而且研發(fā)周期也縮短了40%以上（由過去5年縮減至3年）。最近上汽通用五菱的爆款車，宏光Mini作為電動車銷量冠軍，僅用了不到2年時間。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，汽車行業(yè)基本形成了從產(chǎn)品概念設(shè)計到樣車試制，從性能優(yōu)化到后續(xù)量產(chǎn)的全過程覆蓋的仿真體系，顯著增強了汽車設(shè)計的創(chuàng)新力度。

正是CAE技術(shù)和汽車工業(yè)的緊密結(jié)合，使得汽車核心零部件行業(yè)在研發(fā)和設(shè)計上不斷取得質(zhì)的飛躍。

CAE軟件生態(tài)

CAE軟件在全球制造業(yè)的應(yīng)用日益成熟，2019年市場總量達到73億美金，并保持著9.3%的平均增速，預(yù)計2027年全球市場總量將達到149億美金。聚焦國內(nèi)CAE市場，2019年市場總量達到15億美金，并保持將近15%的強勁增速。

從細分領(lǐng)域來看，航空航天及軍工行業(yè)CAE市場總量將近30億美金，約占42%的市場份額；其次是汽車等交通運輸行業(yè)，將近14.6億美金，約占20%市場份額。國內(nèi)外細分領(lǐng)域市場份額的占比差異不大，但從應(yīng)用趨勢看，國內(nèi)CAE市場主體主要是大中型制造業(yè)，而歐美市場主體則由中小型企業(yè)構(gòu)成，這從側(cè)面也印證了我國制造業(yè)大而不強的現(xiàn)實。

聚焦汽車領(lǐng)域，如上所述，2019年CAE市場總量達到14.6億美金，按年增速11%預(yù)測，2025年總體量將達到29億美金。從市場分布來看，2019年北美CAE市場總量達到5.5億美金，約占全球38%的份額；以中國、日本為主的亞洲市場，市場總量與北美相當；其次是歐洲市場，市場總量將近3.5億美金，約占全球22%的市場份額。進一步分解亞洲市場，中國的汽車領(lǐng)域中，CAE市場尚不足1億美金（約8000萬美金），這一數(shù)據(jù)表明：CAE應(yīng)用的普及程度和汽車制造第一大國的地位尚有一定距離。

從汽車工業(yè)CAE應(yīng)用的四個方面來看，以安全碰撞和空氣動力學(xué)優(yōu)化為主的汽車主機廠，CAE市場總量約為3.5億，占汽車CAE總量的24%，而以輕量化和制造工藝仿真為主的一二級供應(yīng)商，CAE市場總量總計為11億美金，占比分別為63%和13%。三四級供應(yīng)商CAE市場已歸并在一二級供應(yīng)商市場總量內(nèi)，不單獨列出。

汽車領(lǐng)域仿真軟件的服務(wù)模式仍然以本地部署桌面版軟件為主，市場總量約為11.2億美金，占比為75%；與之相對應(yīng)，云計算模式占比約為30%，市場總量約4.4億美金。但需要指出，以云計算為核心的SaaS（軟件即服務(wù)）模式由于其易于快速部署和擴容，同時維護使用成本低，將迎來更為迅猛的增長。

CAE主導(dǎo)的制造革新

近十年間，新能源汽車的蓬勃發(fā)展正在引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的不斷革新，尤其是越來越嚴苛的汽車輕量化要求，使汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝面臨著嚴峻的考驗。

加大汽車鋁合金壓鑄件的比例是新能源汽車輕量化的主要措施，以鋁化率30%計算，預(yù)計2025年鋁合金零部件市場將有望達到3400億元規(guī)模，而壓鑄件市場份額預(yù)計將達到60%，約為2100億元規(guī)模。傳統(tǒng)高強鋼沖壓+焊接的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝正在被鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件全方位顛覆，引領(lǐng)這場變革的正是美國電動車企特斯拉。

特斯拉Model S系列車型中，95%的結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料。Model Y通過采用一體化鋁合金車架壓鑄件，在實現(xiàn)輕量化需求的同時，大幅縮短了白車身的生產(chǎn)時間。一體化壓鑄件消除了將近1500個焊點，總共節(jié)省了近120分鐘的生產(chǎn)時間。特斯拉掀起了以鋼代鋁，以壓鑄代替沖壓的汽車核心零部件產(chǎn)業(yè)鏈的變革新潮。

一體式鋁合金壓鑄技術(shù)通過減少零部件、模具和連接點的數(shù)量，從而提高生產(chǎn)效率，最終實現(xiàn)綜合成本的降低，對全球汽車行業(yè)的變革產(chǎn)生了深遠的影響。而CAE仿真技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用對變革進程具有決定性的意義。特斯拉在2019年的研發(fā)費用約為13.4億美金，其中很大一部分用于一體式壓鑄技術(shù)的研發(fā)。特斯拉在該工藝研發(fā)過程中，專門成立了壓鑄CAE仿真技術(shù)研發(fā)團隊，開發(fā)了多壓室壓鑄成型仿真軟件，通過虛擬仿真快速驗證可行性，大幅縮短了開發(fā)周期?？梢钥闯?，CAE在汽車核心零部件的開發(fā)過程扮演著相當關(guān)鍵的角色，但在國內(nèi)自主車企中，其價值被一直低估。

粗放生產(chǎn)不打破不行

影響汽車壓鑄件成品率的因素眾多，但70%取決于壓鑄模具的設(shè)計水平。觀察國內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先的壓鑄企業(yè)，如中信戴卡，豐田合成等，模具前期方案開發(fā)周期約為1-2個月，在此期間，模具設(shè)計師會做3-5種不同的方案，通過CAE仿真確認較優(yōu)的方案，然后基于該方案進行深入的迭代優(yōu)化，設(shè)計變革高達二、三十次，有時甚至上百次。通過這種迭代優(yōu)化設(shè)計的模具，一次試模成功率可以高達95%，壓鑄成品率則可以高達98%。而反觀國內(nèi)大多數(shù)壓鑄企業(yè)，模具前期方案開發(fā)周期僅為1-2周，通常只足夠三維CAD建模。如此短的設(shè)計周期，對于核心的澆注系統(tǒng)設(shè)計和模具熱平衡冷卻設(shè)計的迭代優(yōu)化是遠遠不夠的。1-2周時間只允許模具設(shè)計師出具1-2種設(shè)計方案，CAE模擬仿真也僅用于預(yù)測并避免重大的設(shè)計失誤，對于迭代優(yōu)化根本發(fā)揮不出應(yīng)有的價值。

壓鑄件成品率和企業(yè)利潤息息相關(guān)，如果鑄件的盈虧平衡點為85%，98%成品率所帶來的利潤率是90%，成品率對應(yīng)利潤率的2.5倍。國內(nèi)壓鑄廠的平均成品率為92%，德國壓鑄廠的平均成品率為98%，可以看出利潤率差距會非常大，德國約為中國的2倍。

國內(nèi)一家前50強的壓鑄企業(yè)，從國外鑄件獲取訂單，到第一批樣件交付，僅有2個月的時限。該企業(yè)不具備模具設(shè)計加工能力，模具通過外委的方式交由寧波當?shù)匾患抑＞咂髽I(yè)設(shè)計加工。由于工期和成本的壓縮，模具設(shè)計質(zhì)量很差，僅能勉強交付樣件。后隨著訂單上量批量生產(chǎn)時，鑄件成品率僅有5%不到，產(chǎn)能嚴重不足。迫于訂單壓力，該公司只能硬著頭皮繼續(xù)虧損生產(chǎn)，依靠X射線探傷儀來遴選合格鑄件。這種模式離企業(yè)盈利已經(jīng)相去甚遠了。值得一提的是，這不是該企業(yè)獨有的問題，相反，這是中小型壓鑄企業(yè)一種常態(tài)，大部分企業(yè)疲于奔命，一方面訂單獲取越來越難，一方面又由于產(chǎn)能低下、成本無法控制而游走在奔潰的邊緣。

由于歷史原因，國內(nèi)壓鑄企業(yè)多重設(shè)備輕技術(shù)，導(dǎo)致模具設(shè)計能力多掌握在模具廠手中。而模具廠大多數(shù)是由機加工起家，通常只精通機加工工藝，對壓鑄工藝技術(shù)原理一知半解，因此導(dǎo)致很多模具設(shè)計形似神不似，甚至完全違背了壓鑄工藝設(shè)計原則。

雪上加霜的是，國內(nèi)自主零部件供應(yīng)商，連基本的鑄造模擬仿真軟件都不具備。國內(nèi)壓鑄及模具企業(yè)將近三萬家，整體大而不強，市場競爭日趨白熱化，大部分企業(yè)面臨著極大的生存壓力。為提高市場反應(yīng)能力和控制成本，國內(nèi)零部件廠家對CAE的需求相對國外廠家表現(xiàn)的更為旺盛和迫切。但由于現(xiàn)有仿真軟件多為桌面版軟件（許可證授權(quán)），動輒上百萬元的部署成本很大程度上束縛了企業(yè)建設(shè)數(shù)字化能力的雙手。但這種局面已經(jīng)在被國產(chǎn)云化CAE軟件所打破。實際上，云化CAE軟件，有可能彌補知識的不足，為企業(yè)大幅度降低使用門檻。智鑄超云就是一種國產(chǎn)CAE軟件的創(chuàng)新嘗試，通過云計算的模式，可以將計算成本降低90%，讓零部件企業(yè)無需購置硬件和仿真軟件；而底層高性能算法技術(shù)創(chuàng)新并依托國家超算硬件，將計算速度提升10倍以上。無論是專業(yè)知識，還是計算成本和速度，都可以為國內(nèi)企業(yè)的研發(fā)設(shè)計提供全新的知識助力。

可以說，無論是對于產(chǎn)業(yè)鏈頂端的主機廠，還是核心零部件，數(shù)字化設(shè)計能力很多時候并非是成本制約，而是認識水平導(dǎo)致。

瘸腿的CAE仿真能力

國內(nèi)零部件供應(yīng)鏈的自主化進程乏力，如果深究其原因，可以用“嚴重路徑依賴”幾個字概括。早期國內(nèi)汽車主機廠，包括零部件產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，多由國外合資品牌直接進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓，以幾大自主車企為例，研發(fā)投入多用在車身開發(fā)和總成設(shè)計上，對零部件的研發(fā)缺乏重視。同時由于主機廠缺乏專門人才，零部件研發(fā)多直接轉(zhuǎn)移到一二級供應(yīng)商手里。而供應(yīng)商對零部件功能缺乏系統(tǒng)認識，導(dǎo)致其設(shè)計創(chuàng)新乏力，無法產(chǎn)生顛覆式的創(chuàng)新。這也導(dǎo)致了技術(shù)難度大，高附加值的零部件仍然依賴國外供應(yīng)商，供應(yīng)鏈本土化依舊停留在較低水平。反觀國外，汽車零部件的研發(fā)多由主機廠主導(dǎo)，零部件供應(yīng)商深度參與，主機廠將核心競爭力牢牢掌握在自己手中，同時零部件供應(yīng)商通過與主機廠深度合作，也能從中形成強大的技術(shù)儲備和市場話語權(quán)。

國內(nèi)零部件廠商缺乏零部件原創(chuàng)性的開發(fā)能力，大多數(shù)走仿制的老路，對仿真軟件的認識水平參差不齊。主要呈現(xiàn)兩種極端：1、仿真無用論；2、仿真萬能論。仿真工程師從業(yè)人員素質(zhì)低下，不理解CAE仿真底層技術(shù)原理，盲目迷信經(jīng)驗或固執(zhí)于狹隘淺顯的慣常認知，對仿真軟件的理解多停留在軟件基本操作和參數(shù)設(shè)置層面，嚴重缺乏仿真分析能力。另外由于國內(nèi)企業(yè)仿真應(yīng)用多以盜版軟件為主，工程師多自學(xué)成才，野蠻生長，缺乏系統(tǒng)全面的專業(yè)培訓(xùn)，導(dǎo)致其對仿真認識存在很多誤區(qū)，甚至以訛傳訛。

國內(nèi)企業(yè)對仿真軟件的使用主要分為以下三類用途：1、優(yōu)化設(shè)計；2、交付甲方；3、增強公司品牌。僅有不到2%的前50強壓鑄企業(yè)選擇購買正版軟件，另有60%企業(yè)以優(yōu)化設(shè)計為主，且囿于成本，多采用功能殘缺的盜版軟件。但是盜版軟件通常版本老舊且非漢化界面，故企業(yè)需尋找具備盜版軟件操作能力的專業(yè)人員，往往這類人員具有較高的行業(yè)競爭力，一般都會顯著增加企業(yè)用工成本。因此還存在另外一種業(yè)務(wù)形態(tài)：企業(yè)通過很多專門做模擬仿真的小微企業(yè)（個體戶為主），甚至兼職設(shè)計師，進行模擬仿真服務(wù)。上面兩種方式基本是中小企業(yè)的常態(tài)，不具備常態(tài)的研發(fā)設(shè)計能力，或者將研發(fā)設(shè)計能力完全外包出去。但可以明確的是，上述兩種方式都無法讓企業(yè)形成核心的競爭力。

作為產(chǎn)業(yè)鏈下游零部件企業(yè)，無論從主機廠還是一級供應(yīng)商，拿到訂單后通常工期已經(jīng)非常緊迫。復(fù)雜零件如變速箱殼體，作為二級或三級供應(yīng)商的壓鑄廠，從簽署訂單合同到第一批樣件的交付，周期大概為兩個月，而留給下游的模具廠模具設(shè)計加工時間則不到1個月?？紤]到機械加工環(huán)節(jié)缺乏彈性，因此為了保證工期，通常模具企業(yè)只會壓縮模具設(shè)計時間（一般為1-2周，取決于供應(yīng)商的議價談判能力）。緊張的模具設(shè)計時間使得工程師無法對設(shè)計方案進行深入、系統(tǒng)的仿真評估，導(dǎo)致失敗的模具比比皆是，壓鑄企業(yè)利潤率低下的癥結(jié)正源于此。

綜合來看，國內(nèi)核心零部件產(chǎn)業(yè)鏈自主化程度低，主要是由零部件及工裝模具的設(shè)計能力低下導(dǎo)致的，而這種軟實力的建立離不開數(shù)字化設(shè)計和仿真能力。大眾汽車在狼堡的鑄造公司，采用自主研發(fā)的拓撲優(yōu)化技術(shù)進行鑄件設(shè)計和開發(fā)；而特斯拉的一體化鑄造技術(shù)，都是基于數(shù)字化建模和仿真技術(shù)所取得的顛覆式創(chuàng)新。

自主可控的破局

實現(xiàn)汽車核心零部件產(chǎn)業(yè)鏈自主可控還是要從底層出發(fā)，借助數(shù)字化建模、仿真軟件和技術(shù)實現(xiàn)原發(fā)性創(chuàng)新，才能避免邯鄲學(xué)步的窘境。而依靠數(shù)字化建模和仿真能力，完全照搬國外現(xiàn)成的模式是不現(xiàn)實的。通過自身成熟的軟件體系和用盜版培育的市場戰(zhàn)略，以法國達索、德國西門子、美國PTC為首的歐美公司，在我國CAD市場占有率高達90%以上，而在仿真軟件CAE市場領(lǐng)域，歐美公司的占有率更是高達95%以上。盡管國外軟件在市場占有率很高，但也給國內(nèi)軟件留下很多機會。

首先，國外軟件費用高昂，顯著增加企業(yè)成本；其次，國外仿真軟件技術(shù)很大程度面臨水土不服的問題，軟件要匹配工程師水平。國外仿真軟件脫胎于其國家工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀和工程師水平，是和其國企業(yè)的發(fā)展水平保持一致的。國外仿真軟件無法提供深入的技術(shù)支持和工程咨詢服務(wù)，這也使得CAE應(yīng)用水平大打折扣。這些都是可以拓展的空間。

工業(yè)軟件，尤其是建模仿真類軟件，一定不能脫離工業(yè)現(xiàn)實，無論底層技術(shù)還是商業(yè)模式，都要符合本國工業(yè)發(fā)展水平和自身需求。建立自主可控的CAE仿真軟件生態(tài)是破局的關(guān)鍵。通過研發(fā)符合中國工業(yè)發(fā)展水平和工程師技術(shù)水平，且根植于自身工業(yè)發(fā)展需求的仿真軟件，加上引入云計算服務(wù)等創(chuàng)新模式，才能讓建模仿真成為企業(yè)日常研發(fā)流程的一部分。而這正是中國零部件強身健體的關(guān)鍵一環(huán)。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：知識自動化(ID：zhishipai)，作者：張偉，北京適創(chuàng)科技有限公司市場總監(jiān)、郭志鵬，北京適創(chuàng)科技有限公司創(chuàng)始人、CEO