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行业新闻

工业软件破局 汽车零部件的内痛

谁在驱动汽车制造的飞跃

自从2009年中国成为全球最大的汽车销售市场,连续十一年保持不变。而自主品牌也很争气,市场份额也达到40%以上。这背后是一个巨大的零部件市场,2021年规模将达到4.3万亿元。然而,目前只有不到20%的零部件实现了完全自主供应,绝大多数零部件产业仍然由外企垄断。实际上,汽车整车及零部件仍是我国第二大类进口工业品,仅次于集成电路。

而作为民用工业品的皇冠,汽车由超过2万个零件构成。一辆汽车的总成本中,零部件成本要占到70%-80%。汽车零部件的质量决定了汽车整个生命周期质量的可靠性和稳定性。汽车产业发达国家的零部件和整车产业链的产值比例,一般超过1.7:1,而我国只有1:1,国内汽车零部件外资、合资企业平均利润率约为10-15%,而自主企业利润率大部分在2-3% 。

那么皇冠制造中的低端制造区,如何破局?

CAE仿真是答案之一。

计算机仿真CAE软件可以显著减少试验频次,降低研发成本,而且研发周期也缩短了40%以上(由过去5年缩减至3年)。最近上汽通用五菱的爆款车,宏光Mini作为电动车销量冠军,仅用了不到2年时间。经过三十多年的发展,汽车行业基本形成了从产品概念设计到样车试制,从性能优化到后续量产的全过程覆盖的仿真体系,显著增强了汽车设计的创新力度。

正是CAE技术和汽车工业的紧密结合,使得汽车核心零部件行业在研发和设计上不断取得质的飞跃。

CAE软件生态

CAE软件在全球制造业的应用日益成熟,2019年市场总量达到73亿美金,并保持着9.3%的平均增速,预计2027年全球市场总量将达到149亿美金。聚焦国内CAE市场,2019年市场总量达到15亿美金,并保持将近15%的强劲增速。

从细分领域来看,航空航天及军工行业CAE市场总量将近30亿美金,约占42%的市场份额;其次是汽车等交通运输行业,将近14.6亿美金,约占20%市场份额。国内外细分领域市场份额的占比差异不大,但从应用趋势看,国内CAE市场主体主要是大中型制造业,而欧美市场主体则由中小型企业构成,这从侧面也印证了我国制造业大而不强的现实。

聚焦汽车领域,如上所述,2019年CAE市场总量达到14.6亿美金,按年增速11%预测,2025年总体量将达到29亿美金。从市场分布来看,2019年北美CAE市场总量达到5.5亿美金,约占全球38%的份额;以中国、日本为主的亚洲市场,市场总量与北美相当;其次是欧洲市场,市场总量将近3.5亿美金,约占全球22%的市场份额。进一步分解亚洲市场,中国的汽车领域中,CAE市场尚不足1亿美金(约8000万美金),这一数据表明:CAE应用的普及程度和汽车制造第一大国的地位尚有一定距离。

从汽车工业CAE应用的四个方面来看,以安全碰撞和空气动力学优化为主的汽车主机厂,CAE市场总量约为3.5亿,占汽车CAE总量的24%,而以轻量化和制造工艺仿真为主的一二级供应商,CAE市场总量总计为11亿美金,占比分别为63%和13%。三四级供应商CAE市场已归并在一二级供应商市场总量内,不单独列出。

汽车领域仿真软件的服务模式仍然以本地部署桌面版软件为主,市场总量约为11.2亿美金,占比为75%;与之相对应,云计算模式占比约为30%,市场总量约4.4亿美金。但需要指出,以云计算为核心的SaaS(软件即服务)模式由于其易于快速部署和扩容,同时维护使用成本低,将迎来更为迅猛的增长。

CAE主导的制造革新

近十年间,新能源汽车的蓬勃发展正在引领汽车产业链的不断革新,尤其是越来越严苛的汽车轻量化要求,使汽车零部件结构设计和制造工艺面临着严峻的考验。

加大汽车铝合金压铸件的比例是新能源汽车轻量化的主要措施,以铝化率30%计算,预计2025年铝合金零部件市场将有望达到3400亿元规模,而压铸件市场份额预计将达到60%,约为2100亿元规模。传统高强钢冲压+焊接的零件结构设计和制造工艺正在被铝合金压铸结构件全方位颠覆,引领这场变革的正是美国电动车企特斯拉。

特斯拉Model S系列车型中,95%的结构采用铝合金材料。Model Y通过采用一体化铝合金车架压铸件,在实现轻量化需求的同时,大幅缩短了白车身的生产时间。一体化压铸件消除了将近1500个焊点,总共节省了近120分钟的生产时间。特斯拉掀起了以铝代钢,以压铸代替冲压的汽车核心零部件产业链的变革新潮。

一体式铝合金压铸技术通过减少零部件、模具和连接点的数量,从而提高生产效率,最终实现综合成本的降低,对全球汽车行业的变革产生了深远的影响。而CAE仿真技术的研发和应用对变革进程具有决定性的意义。特斯拉在2019年的研发费用约为13.4亿美金,其中很大一部分用于一体式压铸技术的研发。特斯拉在该工艺研发过程中,专门成立了压铸CAE仿真技术研发团队,开发了多压室压铸成型仿真软件,通过虚拟仿真快速验证可行性,大幅缩短了开发周期。可以看出,CAE在汽车核心零部件的开发过程扮演着相当关键的角色,但在国内自主车企中,其价值被一直低估。

粗放生产不打破不行

影响汽车压铸件成品率的因素众多,但70%取决于压铸模具的设计水平。观察国内外技术领先的压铸企业,如中信戴卡,丰田合成等,模具前期方案开发周期约为1-2个月,在此期间,模具设计师会做3-5种不同的方案,通过CAE仿真确认较优的方案,然后基于该方案进行深入的迭代优化,设计变革高达二、三十次,有时甚至上百次。通过这种迭代优化设计的模具,一次试模成功率可以高达95%,压铸成品率则可以高达98%。而反观国内大多数压铸企业,模具前期方案开发周期仅为1-2周,通常只足够三维CAD建模。如此短的设计周期,对于核心的浇注系统设计和模具热平衡冷却设计的迭代优化是远远不够的。1-2周时间只允许模具设计师出具1-2种设计方案,CAE模拟仿真也仅用于预测并避免重大的设计失误,对于迭代优化根本发挥不出应有的价值。

压铸件成品率和企业利润息息相关,如果铸件的盈亏平衡点为85%,98%成品率所带来的利润率是90%,成品率对应利润率的2.5倍。国内压铸厂的平均成品率为92%,德国压铸厂的平均成品率为98%,可以看出利润率差距会非常大,德国约为中国的2倍。

国内一家前50强的压铸企业,从国外铸件获取订单,到第一批样件交付,仅有2个月的时限。该企业不具备模具设计加工能力,模具通过外委的方式交由宁波当地一家知名模具企业设计加工。由于工期和成本的压缩,模具设计质量很差,仅能勉强交付样件。后随着订单上量批量生产时,铸件成品率仅有5%不到,产能严重不足。迫于订单压力,该公司只能硬着头皮继续亏损生产,依靠X射线探伤仪来遴选合格铸件。这种模式离企业盈利已经相去甚远了。值得一提的是,这不是该企业独有的问题,相反,这是中小型压铸企业一种常态,大部分企业疲于奔命,一方面订单获取越来越难,一方面又由于产能低下、成本无法控制而游走在奔溃的边缘。

由于历史原因,国内压铸企业多重设备轻技术,导致模具设计能力多掌握在模具厂手中。而模具厂大多数是由机加工起家,通常只精通机加工工艺,对压铸工艺技术原理一知半解,因此导致很多模具设计形似神不似,甚至完全违背了压铸工艺设计原则。

雪上加霜的是,国内自主零部件供应商,连基本的铸造模拟仿真软件都不具备。国内压铸及模具企业将近三万家,整体大而不强,市场竞争日趋白热化,大部分企业面临着极大的生存压力。为提高市场反应能力和控制成本,国内零部件厂家对CAE的需求相对国外厂家表现的更为旺盛和迫切。但由于现有仿真软件多为桌面版软件(许可证授权),动辄上百万元的部署成本很大程度上束缚了企业建设数字化能力的双手。但这种局面已经在被国产云化CAE软件所打破。实际上,云化CAE软件,有可能弥补知识的不足,为企业大幅度降低使用门槛。智铸超云就是一种国产CAE软件的创新尝试,通过云计算的模式,可以将计算成本降低90%,让零部件企业无需购置硬件和仿真软件;而底层高性能算法技术创新并依托国家超算硬件,将计算速度提升10倍以上。无论是专业知识,还是计算成本和速度,都可以为国内企业的研发设计提供全新的知识助力。

可以说,无论是对于产业链顶端的主机厂,还是核心零部件,数字化设计能力很多时候并非是成本制约,而是认识水平导致。

瘸腿的CAE仿真能力

国内零部件供应链的自主化进程乏力,如果深究其原因,可以用“严重路径依赖”几个字概括。早期国内汽车主机厂,包括零部件产业链的发展,多由国外合资品牌直接进行技术转让,以几大自主车企为例,研发投入多用在车身开发和总成设计上,对零部件的研发缺乏重视。同时由于主机厂缺乏专门人才,零部件研发多直接转移到一二级供应商手里。而供应商对零部件功能缺乏系统认识,导致其设计创新乏力,无法产生颠覆式的创新。这也导致了技术难度大,高附加值的零部件仍然依赖国外供应商,供应链本土化依旧停留在较低水平。反观国外,汽车零部件的研发多由主机厂主导,零部件供应商深度参与,主机厂将核心竞争力牢牢掌握在自己手中,同时零部件供应商通过与主机厂深度合作,也能从中形成强大的技术储备和市场话语权。

国内零部件厂商缺乏零部件原创性的开发能力,大多数走仿制的老路,对仿真软件的认识水平参差不齐。主要呈现两种极端:1、仿真无用论;2、仿真万能论。仿真工程师从业人员素质参差不齐,有的不理解CAE仿真底层技术原理,盲目迷信经验或固执于狭隘浅显的惯常认知,对仿真软件的理解多停留在软件基本操作和参数设置层面,严重缺乏仿真分析能力,真正优秀的仿真工程师是比较缺乏的。另外由于国内企业仿真应用多以盗版软件为主,工程师多自学成才,野蛮生长,缺乏系统全面的专业培训,导致其对仿真认识存在很多误区,甚至以讹传讹。

国内企业对仿真软件的使用主要分为以下三类用途:1、优化设计;2、交付甲方;3、增强公司品牌。仅有不到2%的前50强压铸企业选择购买正版软件,另有60%企业以优化设计为主,且囿于成本,多采用功能残缺的盗版软件。但是盗版软件通常版本老旧且非汉化界面,故企业需寻找具备盗版软件操作能力的专业人员,往往这类人员具有较高的行业竞争力,一般都会显著增加企业用工成本。因此还存在另外一种业务形态:企业通过很多专门做模拟仿真的小微企业(个体户为主),甚至兼职设计师,进行模拟仿真服务。上面两种方式基本是中小企业的常态,不具备常态的研发设计能力,或者将研发设计能力完全外包出去。但可以明确的是,上述两种方式都无法让企业形成核心的竞争力。

作为产业链下游零部件企业,无论从主机厂还是一级供应商,拿到订单后通常工期已经非常紧迫。复杂零件如变速箱壳体,作为二级或三级供应商的压铸厂,从签署订单合同到第一批样件的交付,周期大概为两个月,而留给下游的模具厂模具设计加工时间则不到1个月。考虑到机械加工环节缺乏弹性,因此为了保证工期,通常模具企业只会压缩模具设计时间(一般为1-2周,取决于供应商的议价谈判能力)。紧张的模具设计时间使得工程师无法对设计方案进行深入、系统的仿真评估,导致失败的模具比比皆是,压铸企业利润率低下的症结正源于此。

综合来看,国内核心零部件产业链自主化程度低,主要是由零部件及工装模具的设计能力低下导致的,而这种软实力的建立离不开数字化设计和仿真能力。大众汽车在狼堡的铸造公司,采用自主研发的拓扑优化技术进行铸件设计和开发;而特斯拉的一体化铸造技术,都是基于数字化建模和仿真技术所取得的颠覆式创新。

自主可控的破局

实现汽车核心零部件产业链自主可控还是要从底层出发,借助数字化建模、仿真软件和技术实现原发性创新,才能避免邯郸学步的窘境。而依靠数字化建模和仿真能力,完全照搬国外现成的模式是不现实的。通过自身成熟的软件体系和用盗版培育的市场战略,以法国达索、德国西门子、美国PTC为首的欧美公司,在我国CAD市场占有率高达90%以上,而在仿真软件CAE市场领域,欧美公司的占有率更是高达95%以上。尽管国外软件在市场占有率很高,但也给国内软件留下很多机会。

首先,国外软件费用高昂,显著增加企业成本;其次,国外仿真软件技术很大程度面临水土不服的问题,软件要匹配工程师水平。国外仿真软件脱胎于其国家工业企业现状和工程师水平,是和其国企业的发展水平保持一致的。国外仿真软件无法提供深入的技术支持和工程咨询服务,这也使得CAE应用水平大打折扣。这些都是可以拓展的空间。

工业软件,尤其是建模仿真类软件,一定不能脱离工业现实,无论底层技术还是商业模式,都要符合本国工业发展水平和自身需求。建立自主可控的CAE仿真软件生态是破局的关键。通过研发符合中国工业发展水平和工程师技术水平,且根植于自身工业发展需求的仿真软件,加上引入云计算服务等创新模式,才能让建模仿真成为企业日常研发流程的一部分。而这正是中国零部件强身健体的关键一环。

文章来源:知识自动化



地点
上海新国际博览中心(浦东新区龙阳路2345号)

时间
2021年7月7日   上午09:00-下午17:00
2021年7月8日   上午09:00-下午17:00
2021年7月9日   上午09:00-下午17:00