FreeCAD是一个基于OpenCASCADE的开源CAD/CAE工具，可运行于Windows、Linux以及macOS系统环境下。它是一种通用的3D CAD建模软件，采用GPL和LGPL许可证开源。FreeCAD配备了现代化的3D CAD建模功能和许多2D元件，可用于绘制2D形状、提取三维模型的设计细节以创建2D生产图纸等，适用于机械工程、建筑及其他工程专业等广泛领域，并且具有类似CATIA、SolidWorks或Solid Edge的工具，能够提供CAX（CAD、CAM、CAE）、PLM等功能。
FreeCAD采用LGPL2.0及以后版本的许可证，这意味着其源代码是公开可用的，用户可自由下载、分发、修改和用于个人及商业目的。
开发始于2002年，由Jürgen Riegel、Werner Mayer、Yorik van Havre等人创立，经过20多年的持续开发，于2024年11月正式发布了1.0稳定版，标志着软件的成熟。
可运行于Windows、macOS以及Linux等操作系统，且在所有平台上具有完全相同的外观和功能。
一、主要功能
1.3D建模：作为通用的3D CAD建模器，具备丰富的工具和功能，可创建从简单到复杂的各种3D模型，如机械零件、建筑结构等。支持参数化建模，通过定义参数和约束来精确控制模型的形状和尺寸，方便进行修改和优化。
2.2D绘图：拥有2D元件，可用于绘制2D形状或从3D模型中提取信息以创建2D生产图纸，但与专注于2D绘图的软件（如AutoCAD LT）不同，2D绘图并非其重点功能。
3.有限元分析：配备了FEM工作台，支持有限元素法，能够对设计的模型进行结构分析、应力分析、热分析等，帮助工程师评估模型的性能和可靠性，从而优化设计方案。
4.建筑信息模型：具有BIM功能，可用于建筑设计和施工管理，能够创建包含建筑物的几何信息、材料信息、施工进度等多维度信息的模型，方便不同专业人员之间的协同工作。
二、系统架构
软件采用模块化的软件架构，使得用户无需修改核心系统即可轻松添加额外的功能。其核心系统提供了基本的建模和分析功能，而各种工作台则针对不同的应用领域和工作流程进行了功能扩展，如零件设计工作台、装配工作台、绘图工作台等。
用户可以使用Python编程语言对FreeCAD进行二次开发，通过编写脚本实现自定义的功能和自动化任务，如批量处理模型、创建特定的几何形状、与其他软件进行数据交互等，大大增强了软件的灵活性和扩展性。
1.核心模块
Base模块：包含了基础的数据类型、工具类和异常处理机制等，是整个系统的基础支撑部分。虽然这些类在日常开发中不常用，但理解其类型系统对于深入了解FreeCAD内部工作原理很有帮助。
App模块：是FreeCAD应用程序的核心，定义了文档对象和数据属性框架，支持事务处理和持久化存储。其中的类是实现模型视图控制器（MVC）设计模式的关键部分，通过该模块，用户可以方便地进行文档对象的管理和数据的操作。
Main模块：负责FreeCAD的启动过程，包括初始化应用程序、处理命令行参数以及设置默认的运行模式等。此外，它还包含了与Python解释器集成的代码，使得FreeCAD能够作为一个Python模块被导入和使用。
2.架构特性
类型系统：通过`BaseClass`和`Type`两个关键类实现了类型系统，支持继承关系、运行时类型信息以及通过名称创建类实例等功能。这种类型系统使得FreeCAD能够在C++和Python之间建立桥梁，实现混合编程，方便用户根据自身需求进行扩展和定制。
属性框架：App模块中的属性框架允许开发者为文档对象定义各种属性，如布尔值、整数、浮点数、字符串等。这些属性可以通过Python进行访问和修改，为FreeCAD提供了强大的数据建模能力，用户可以根据具体的设计需求，灵活地设置和修改对象的属性。
扩展框架：引入了扩展框架，支持通过Mixin模式实现多重继承，从而在不修改基类代码的情况下为对象添加新功能。这种扩展性使得FreeCAD能够灵活地适应各种应用场景，用户可以通过添加插件或自定义模块来扩展软件的功能。
事务处理：App模块支持事务处理机制，允许开发者将多个操作组合成一个原子事务。这种机制保证了数据的一致性和可恢复性，提高了程序的健壮性，确保在复杂的设计和分析过程中，数据的准确性和完整性。
3.功能模块
Part模块：主要负责IGES、STEP等主流几何文件的导入，以及基本实体的创建、倒角、布尔等操作，是进行几何建模的基础模块。
Mesh、MeshPart、SMESH模块：使用Salome SMESH、NetGen等工具进行网格划分，其中Mesh模块提供了网格存储的数据结构以及相关操作，MeshPart模块基于Salome SMESH框架提供了网格生成方法，而MeshGui模块则定义了网格划分的界面，通过调用MeshPart模块的Python接口来生成网格。
FEM模块：用于设置初边值条件、求解器配置等，以便进行CalculiX求解，同时提供了简单的结果后处理功能，如云图显示、切割、数据拾取等。
Gui模块：实现了主窗口定义、基于Workbench的开发模式、数据渲染显示等功能，为用户提供了直观的操作界面和交互体验。
4.插件系统
FreeCAD采用了基于Workbench的插件式开发模式，用户可以通过插件来扩展软件的功能。插件可以集成到Workbench中，与核心模块无缝协作，实现各种特定的功能，如特定行业的设计工具、专业的分析算法等，从而满足不同用户在不同领域的需求。
5.数据存储与文件格式
FreeCAD的自有主文件格式是`.fcstd`，它是一个标准的ZIP文件，包含了文档的所有几何和参数化对象定义、对象的可视化表示细节等信息。此外，FreeCAD还支持导入和导出多种常见的文件格式，如DXF、SVG、STEP、IGES、STL、OBJ、DAE、SCAD、IV、IFC等，方便与其他CAD/CAE软件进行数据交换和协作。
三、不足之处
与一些商业CAD/CAE软件相比，在功能的完整性和专业性上可能存在一定差距，例如在某些复杂的分析功能和高级建模技术方面可能不够完善；由于软件的开发和维护主要依赖于社区，因此在软件的稳定性和可靠性上可能会受到一定影响，偶尔会出现一些错误和漏洞；对于初学者来说，学习曲线相对较陡，需要花费一定的时间来熟悉软件的操作和工作流程。
1.功能完整性
高级功能有限：与一些商业CAD/CAE软件相比，在复杂的分析功能和高级建模技术方面不够完善。例如，在某些特定领域的专业分析，如流体动力学分析等，其功能可能相对较弱，无法满足专业用户对高精度、复杂工况分析的需求。
行业针对性不足：尽管可应用于多个行业，但对于某些行业的特定标准和流程支持不够深入。如在汽车设计中，与专业的汽车设计软件相比，在汽车造型设计、人体工程学分析等方面可能缺乏针对性的功能和工具。
2.软件稳定性
易出现错误和崩溃：由于其开发和维护主要依赖社区，软件的稳定性可能受到一定影响。在处理大型文件或复杂模型时，可能会出现卡顿、死机甚至崩溃的情况，导致用户数据丢失或工作中断，影响工作效率。
版本兼容性问题：在不同版本之间，可能存在文件格式兼容性问题，旧版本创建的文件在新版本中可能无法正常打开或出现显示错误，给用户的文件管理和协作带来不便 。
3.性能表现
处理速度较慢：在处理大规模、复杂的模型时，尤其是包含大量细节和数据的模型，软件的响应速度会明显下降，导致操作延迟，影响设计和分析的效率。
渲染效果欠佳：渲染功能相对较弱，生成高质量的渲染图像或动画可能需要较长时间，且渲染效果在视觉质量和真实感方面可能不如一些专业的渲染软件，无法满足对渲染效果有较高要求的用户。
4.生态系统
插件质量参差不齐：虽然支持插件扩展，但插件的质量和稳定性良莠不齐。部分插件可能存在兼容性问题，与软件的核心功能或其他插件之间可能会发生冲突，影响软件的正常使用。
缺乏商业支持：与商业软件相比，其生态系统中缺乏专业的技术支持和服务。在用户遇到问题时，可能无法及时获得有效的技术支持和解决方案，对于企业用户来说，这可能会影响其在生产环境中的应用。
四、应用领域
1.机械工程
零件设计：可用于创建各种机械零件的3D模型，如齿轮、轴、螺栓、螺母等。通过参数化建模功能，精确控制零件的尺寸和形状，方便进行修改和优化，提高设计效率和质量。
装配设计：能够将多个零件组合成完整的机械装配体，模拟真实的装配过程，检查零件之间的干涉和配合情况，确保装配的准确性和可行性 。
产品研发：从概念设计到详细设计，再到产品的虚拟样机制作，FreeCAD都能为机械工程师提供全面的支持，帮助缩短产品研发周期，降低研发成本。
2.建筑与土木工程
建筑设计：可用于创建建筑的整体模型，包括建筑物的外观、内部结构、房间布局等。支持BIM功能，能够集成建筑的几何信息、材料信息、施工进度等多维度信息，方便不同专业人员之间的协同工作。
结构设计：对建筑结构进行分析和设计，如计算梁、柱、墙等结构构件的受力情况，评估结构的稳定性和安全性。通过有限元分析功能，优化结构设计方案，提高建筑的抗震性能和承载能力。
施工管理：帮助施工人员更好地理解建筑设计意图，进行施工进度计划和资源分配，提高施工效率和质量。还可以生成施工图纸和文档，为施工过程提供详细的指导。
3.电气工程
电气设备设计：可用于设计各种电气设备的3D模型，如配电柜、配电箱、变压器等。与机械工程领域相结合，实现电气设备与机械结构的协同设计，确保设备的安装和运行符合要求。
电路板设计：支持创建电路板的3D模型，进行布线和布局设计。通过与电子设计自动化（EDA）软件的集成，实现从电路设计到物理设计的无缝衔接，提高电路板设计的效率和质量。
电气系统规划：对电气系统进行整体规划和设计，包括电力分配、照明系统、通信系统等。通过3D模型直观地展示电气系统的布局和连接方式，便于进行系统的优化和调整。
4.汽车工程
汽车零部件设计：用于设计汽车的各种零部件，如发动机、底盘、车身等。通过参数化建模和有限元分析，优化零部件的设计，提高汽车的性能和可靠性。
汽车装配设计：将汽车零部件组装成完整的汽车模型，模拟汽车的装配过程，检查零部件之间的干涉和配合情况，确保汽车的装配质量。
汽车动力学分析：对汽车的动力学性能进行分析和仿真，如行驶稳定性、操控性、舒适性等。通过与专业的汽车动力学分析软件集成，为汽车的设计和优化提供依据。
5.航空航天工程
飞机零部件设计：可用于设计飞机的机翼、机身、发动机等零部件。通过高精度的建模和分析功能，满足航空航天领域对零部件的严格要求，确保飞机的安全性和性能。
飞机装配设计：将飞机零部件组装成完整的飞机模型，进行装配工艺规划和优化。通过虚拟装配技术，提前发现和解决装配过程中可能出现的问题，提高飞机的装配效率和质量。
航空航天结构分析：对飞机结构进行强度、刚度、稳定性等方面的分析，评估结构的可靠性和安全性。通过有限元分析和优化算法，优化飞机结构设计，减轻结构重量，提高飞机的性能和经济性。
6.船舶工程
船舶设计：用于创建船舶的3D模型，包括船体、上层建筑、船舶设备等。通过参数化建模和曲面造型功能，设计出符合船舶性能要求和美学要求的船舶外形。
船舶结构设计：对船舶的结构进行分析和设计，如计算船体的强度、稳定性、抗沉性等。通过有限元分析和规范计算，优化船舶结构设计，确保船舶的安全性和可靠性。
船舶制造工艺规划：根据船舶的设计模型，制定船舶的制造工艺和生产计划。通过虚拟制造技术，模拟船舶的制造过程，优化工艺方案，提高船舶的制造效率和质量。
7.教育领域
教学辅助：作为教学工具，帮助学生更好地理解和掌握CAD/CAE技术。教师可以使用FreeCAD进行课堂教学和实践教学，让学生通过实际操作，提高他们的空间想象力、设计能力和创新能力。
科研支持：为科研人员提供了一个免费且功能强大的研究平台，用于开展相关的科研项目和学术研究。例如，进行新型结构的设计和分析、优化算法的研究等.
