工業軟件細分產品——CAE

目錄

第一章：CAE軟件基本概念及結構組成

第二章：CAE軟件底層學術支撐

第三章：CAE核心能力及應用

第四章：CAE發展歷程

第五章：CAE市場規模

第六章：海外CAE龍頭分析

第一章：CAE軟件基本概念及結構組成

CAE狹義上主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷，並證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。CAE涵蓋領域包括有限元分析（FEA）、計算流體動力學（CFD）、多體動力學（MBD）、耐久性和優化等。

從CAE軟件基本結構來看，主要組成部分包括：用戶界面、數據管理系統、數據庫、專傢系統和知識庫五大模塊。其中數據管理系統是使用CAE軟件進行性能分析或模擬時用到的核心部件，一方面通過接口實現CAD、CAM等格式文件的輸入，另一方面提供前處理、求解分析、後處理三個流程實現仿真模擬。求解分析模塊根據處理問題的不同，又可以細分為靜力線性子系統、動力分析子系統等眾多分支。

從核心工作流程來看，CAE軟件仿真過程即求解分析流程包括前處理、求解、後處理、優化、報告。前處理過程包括幾何圖形處理、網格劃分等；求解過程主要包括模態、剛度、強度等分析方式；後處理過程包括展示位移、應力等動圖；優化過程主要針對仿真結構設計進行修改，並再次回到前處理流程；最終獲得合意結果後，通過圖形化方式向用戶進行報告。

• 案例：索辰CFD流體仿真流程

以CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）為例分析以上流程。下圖具體介紹瞭CAE的模塊構成。

1. 前處理在前處理過程中，首先需具備網格/粒子離散模型，離散模型可以通過軟件自帶的幾何建模和網格/粒子離散模塊實現，也可以導入外部的幾何模型或網格/粒子模型。之後設定計算區域，選擇物理模型、材料、數值求解各式，以及設置初始條件、邊界條件、載荷、約束等。上述各項物理和數值求解參數設置完成之後進行求解過程。由於通用CAE軟件支持多種多層次的物理模型、邊界條件、材料、數值求解格式，所以前處理過程需要諸多步驟，且各項設定都會影響計算結果，CAE獲得準確可靠結果的前提是前處理階段的各項輸入和設定合理正確。

（索辰流體仿真軟件前處理模塊構建的航空發動機粒子離散結構（無網格）

1. 求解器求解器將CAE軟件底層的物理、數學算法用計算機語展示並計算求解，是CAE的核心，具有較高的知識產權價值，在產業鏈種占據價值的制高點，求解器的性能直接決定瞭CAE軟件的技術水平。求解器旨在求解數學物理模型對應的方程，構建求解器算法的關鍵步驟是使用合適的計算數學方法，不同的數值格式決定瞭代數方程組的最佳求解方式、求解效率和穩定性以及它逼近原始微分方程的精確程度。以CFD為例，基於不同的計算策略，會形成不同數值計算的數學模型，進而采用不同的數學求解方法。

從宏觀到介觀再到微觀模型，整體上看，算法的計算精度提升，但是模型包含的參數增加，對計算資源的要求顯著提升。相比於求解N-S方程等傳統數值方法，LBM、GKS、DSMC、SPH算法的實現都要依靠較高的計算資源。求解器算法的提升一方面要靠數學物理模型的不斷優化，一方面要依賴計算機技術的發展對算力的提升，同時，這種算力的提升能夠有效應用於數值計算的性能優化。

1. 後處理

後處理模塊用於處理和顯示CAE求解器生成的結果數據。CAE求解計算會產生大量的數據，為瞭獲得數值模擬的研究結果，必須對計算產生的數據進行分析、理解，以便發現計算過程中出現的情況和問題，從而正確地認識和理解被研究對象。後處理模塊為客戶提供瞭可視化的界面，通過多種方式展現工程問題的模擬結果，包括圖標、圖形、動畫等。

（索辰流體仿真軟件後處理模塊展示的直升機旋翼流場仿真結果）

第二章：CAE軟件底層學術支撐

CAE軟件從本質上來看，可以拆解為三層：數學+物理學（底層）、計算機科學（中層）、工程學（外層）。CAE軟件從底層的物理規則和數學公式出發，以現實世界的規則打造軟件內核；而後這些法則經過計算機語言編程和算法封裝，沉淀為軟件本身的求解器，並利用計算機圖形學實現可視化和用戶交互；最後，結合特定領域工程學的工作流程，CAE軟件提供相應領域的求解流程，幫助用戶解決工程中的實際問題。

• CAE軟件核心在於物理學和數學數學角度來看，CAE的本質是利用結構離散化的思維解決復雜的工程問題，而離散過程涉及到多種數學求解方法。所謂結構離散化，即將實際結構離散為有限數目的規則單位組合體，把求解連續體的場變量（應力、位移、壓力等）問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值，得到代數方程組作為原先微分方程組的近似數值解。離散過程用到的求解方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、離散元法（DEM）、邊界元法（BEM）、有限體積法（FEV）、無網格法（Mesh free）等等。此外，遺傳算法、神經網絡算法、梯度下降法等新方法也開始被應用於CAE求解過程。在這些數學算法中，以有限元法（FEM）應用范圍最廣也最為常見。以有限元分析為例，有限元問題的根基是數值求解偏微分方程。從前處理到求解、後處理的過程無非是設置形函數，離散，形成求解矩陣、數值解矩陣，最後進行結果分析的過程。有限元方法的基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式，借助於變分原理或加權餘量法，將微分方程離散求解。采用不同的權函數和插值函數形式，便構成不同的有限元方法。從物理學角度來看，CAE的本質是用物理法則對現實世界進行描述。真實世界存在各種各樣的物理場，物理場指某種空間區域，其中具有一定性質的物體能對與之不相接觸的類似物體施加一種力。常見的物理場包括傳熱、孔隙水流動、濃度場、壓力應變場、動力學場、化學場、靜電場和靜磁場等。此外，每個專業領域又會涉及到特定物理規則，以結構為例，為解決結構設計的問題，有可能會涉及到理論力學、分析力學、材料力學、結構力學、彈性力學、塑形力學、振動力學、疲勞力學、斷裂力學等一系列特定規則。真實世界的物理場往往以多物理場並存的形式存在，因此CAE仿真過程還需要將多物理場耦合問題考慮在內。多物理場的應用涉及一個或者多個以上的物理過程或者物理場，是多個學科的交叉。典型的多物理場應用包括土體固結理論、流體力學模擬、電動力學應用、計算電磁廠、傳感器（如壓電材料）的設計、流體-結構相互作用、多孔材料中的能源和氣候變化研究等。因此CAE多物理場仿真需要耦合多個物理現象，針對多個相互作用的物理性質進行研究。

• CAE中層為計算機科學支撐

計算機科學是連接底層算法和外層工程學應用的紐帶。CAE同其他工業軟件一樣，在早期發展受到計算機科學發展的深刻影響。拆解CAE軟件架構來看，CAE可以按照功能分為9大模塊：輸入輸出、幾何建模、有限元模型、後處理器、求解器、圖形、公共模塊、高性能計算、參數優化設計。而計算機科學在其中扮演的角色可以歸納為三點：

1. 對物理法則和數學方程進行代碼封裝：在此基礎上搭建物理模型和數學模型，以算法形式建立仿真約束條件；
2. 提供仿真過程所需的算力：模擬仿真過程涉及到的大量計算過程，需要計算機提供算力支持、加速計算過程（高性能計算）、優化參數設計等，以加快設計過程；
3. 提供交互界面與模塊：幫助用戶在輸入流程實現關鍵參數和規則的輸入、實現仿真過程以及在後處理中提供計算機圖形處理和展示。

CAE軟件應用開發流程

• CAE外層以工程學支撐對工程知識的理解是CAE在具體應用層面的表達。在數學、物理學構建起的軟件內核之上，CAE開發者用計算機科學搭建瞭基本功能模塊，但CAE軟件要想真正為用戶所用、服務於工業流程，還需要經過工程學的應用。從工程學通用流程角度來看，工程問題涉及到概念規劃、系統/詳細設計、測試、生產等多個環節。如何從軟件層面銜接不同流程，實現上下遊協作，需要CAE開發者在設計之初就對工程工作流有深刻的思考。從垂直工業領域的工程問題來看，不同工業領域對CAE軟件需求有較大差異。一方面，不同行業有自身的設計規范和標準，對產品的測試流程不一、維度不同，制造現場涉及大量的工藝過程需要行業know-how作為支持。另一方面，下遊用戶的使用習慣和綁定程度也決定瞭CAE軟件在工程學領域的應用形式。

第三章：CAE核心能力及應用仿真也稱模擬，就是對現有或未來系統進行建模並實驗研究的過程，按模擬對象可以分為離散事件模擬與連續模擬。CAE仿真主要用於模擬零件、部件、裝置（整機）乃至生產線、工廠的運動和運行狀態。運用CAE軟件進行仿真的典型目標包括系統性能分析、容量/約束分析、方案比較等。

仿真過程的關鍵在於將現實轉化為仿真模型，在仿真的前期過程中，關鍵步驟在於理論與現實問題的轉化。這一過程中，仿真工程師起到重要作用，其對模擬對象的理解是將現實轉化為仿真模型的關鍵。設置變量太多盡管可以保證準確性，但也會導致運算過程過於冗餘，拉長產品上市時間；若未能對模型做出合理的簡化，則會導致結果出現嚴重偏差，甚至使得產品失效。由此，CAE軟件提供兩種解決方式：供給端：優秀的商用CAE軟件往往可以凝練大量的共性問題，將軟件“黑盒化”，通過限制操作者來減少人為錯誤的出現。需求端：企業可以借助CAE軟件制定一條完善的仿真流程規范，將可能的問題形成通用的解決方案，從而減少對仿真工程師個人能力的依賴。

• 不同角度（研發設計、試驗測試、工程建設以及軟件應用）分析CAE仿真在設計試驗過程中的作用

研發設計：仿真通過指導設計推動瞭技改，從而提升生產效率。CAE仿真借助計算機分析，幫助設計者尋找最佳產品設計方案，確保瞭設計的合理性，縮短產品設計周期，降低材料和設計人工成本。在整個過程中，CAE沒有直接對設計端進行任何調整，但是卻間接指導瞭設計，其中價值主線實質上來自於仿真的數據結果。

試驗測試：準確的虛擬仿真可以有效減低試驗成本。傳統設計過程主要通過生產試驗件來進行試驗，當結果基本符合設計的理想值和最低可接受值後可進行量產。CAE仿真通過構建“虛擬樣機”，替代傳統驗證過程中“物理樣機驗證”過程，縮短設計-驗證-制造循環周期的同時，節省生產物料成本。

工程建設：工業產品從概念規劃到生產落地需要經歷的工程階段包括：規劃階段、概念開發、系統級設計、詳細設計、測試與提煉、生產啟動等。分階段來看，設計階段需要分析並確認客戶需求，進行市場研究和可行性判斷等工作，在此基礎上確定成本目標和設計方案，進而進行尺寸、材料、工藝等詳細設計；測試階段則需要通過仿真、試驗等方式對工業產品的性能、可靠性、使用壽命等關鍵指標進行測試，並根據測試結果對詳細設計進行再次確認，最終啟動生產制造工作。

軟件應用：CAE在產品不同生命周期中提供仿真分析能力支持。

1. 概念設計階段的CAE仿真分析：概念設計階段工作流程從客戶需求評估出發，企業對用戶的基礎設計進行驗證，同時評估產品技術可行性，做出商務決策。在確定需求之後，設計人員可以使用CAE軟件對概念產品進行構建，甚至建造並驗證試驗性原型機。此外，CAE能夠幫助企業進行制造可行性評估，以判斷是否在預定的時間、預定的成本以及現有的設備能力等約束條件下完成用戶需求的開發設計和制造任務。
2. 系統/詳細設計階段的CAE仿真：系統設計和詳細設計階段對於CAE軟件的需求相似，均是對概念設計的進一步展開。在這個階段，需要進行的設計步驟包括系統設計、裝配方案設計、子系統和接口定義、零件設計、公差分配等等，需要細化到圖紙、材料、制造工藝等。CAE仿真分析在這個階段的作用，就是驗證各種零部件是否滿足預期的性能、制造商是否可行，已有的加工設備是否滿足結構設計要求(比如板厚及半徑等)，工藝步驟或者工裝是否最簡化等等，而且從系統到單個零件都可以進行仿真。這些工作主要由結構分析工程師和設計工程師以及制造工藝師一起參與完成。
3. 試驗階段的CAE仿真：在試驗階段，傳統的生產過程下，企業需要經歷“樣機制造-試驗-修改設計-樣機制造”的過程，即需要制造物理樣機並投入試驗，【根據試驗結果反復調整設計、重新制造以最終達到目標要求。這一過程往往需要耗費大量時間來進行實體制造以及設計方案協作調整，造價也較為昂貴。而CAE在這一過程中，通過虛擬樣機提供仿真分析，相較傳統過程可以節省大量制造和試驗時間，節約費用開支。工程師們利用CAE軟件甚至可以在實際試驗之前就掌握最可能的載荷/激勵位置和最佳測試方法，顯著減少試驗時間。
4. 制造階段的CAE仿真測試：在產品制造階段，企業需要根據既定方案進行產品生產，需要結合制造工藝對設計方案進行進一步的確認，根據CAE仿真結果調整生產過程。通過CAE仿真計算可以進一步確認工藝步驟，可以優化制造的工藝流程、減少廢料；可以針對加工錯誤進行演算，通過修改圖紙尺寸來保證交貨期，避免廢品和返修。

• CAE仿真在不同行業的應用

在具體的行業應用中，各自領域內存在諸多特異性問題，CAE的應用落地需要經歷不同的考驗。行業應用實踐的難點可以概括為：

1. 真實世界應用場景復雜，往往需要進行多場景耦合，且不同行業涉及的物理場有天壤之別；
2. 建模過程中參數的設置依賴於工程師的經驗，需要使用者對本行業的制造工藝、工況有深刻的理解；
3. 有限元分析僅能提供近似解，誤差不可避免，如何取舍精度需要人為把握。

行業應用一：航空行業（結構力學仿真、流體力學仿真、電磁學仿真）

1. 結構力學：飛機總體結構以及機身、機翼、起落架、發動機等部件的線性和非線性靜、動力強度分析；疲勞壽命計算；復合材料設計和強度計算；鳥撞、迫降等事故狀態下的沖擊力學計算；制造工藝設計（沖壓、焊接、鍛造等）與分析；結構強度試驗項目的計算機模擬和乘員安全性分析等。
2. 流體力學：飛機氣動特性（升力、阻力）計算及氣動佈局的最優化設計；飛機-發動機匹配特性計算（進氣道設計）；非穩定狀態下（擾動氣流、低空陣風、機動飛行等）的氣動響應計算；導彈發射、副油箱拋撒等對飛機的影響；氣動結構載荷和氣動溫度載荷計算；發動機效率（氣動效率和燃燒效率）和艙內空氣循環計算分析。
3. 電磁學：機載天線、雷達、電子器件間的電磁兼容和電磁幹擾分析；天線佈局設計；軍用飛機雷達散射截面（RCS）計算；電器設備效率和安全性分析等。

行業應用二：船舶行業（結構力學仿真）

隨著船舶不斷向大型化、復雜化方向發展，利用CAE技術提高設計水平，縮短設計周期愈發重要。

船舶從用途上分類，可分為軍用船舶和民用船舶兩大類。在軍船的研發過程中常涉及到強度、剛度、振動與噪聲、抗爆性、疲勞、總體性能、快速性、操縱性與耐波性、穩定性等多方面的技術問題。民船的設計往往更偏向於提高結構強度、載重量和快速性等方面，主要技術問題集中於結構強度與水動力性能方面。

行業應用三：橋梁建築行業（結構力學仿真）

CAE軟件通過仿真模擬能夠實現對橋梁進行較為準確的受力分析，模擬其在各種工況下的動態反映，對橋梁的安全控制有著重要現實意義。具體來說，CAE有限元分析可以用於模擬各類橋梁的受力、施工工況、動荷載的耦合等。靜力分析中，可以較精確的反映出結構的變形、應力分佈、內力情況等；動力分析中，也可以精確的表達結構的自振頻率、陣型、荷載耦合、時程相應等特性。

第四章：CAE發展歷程

• 全球CAE行業發展歷程主要分為技術萌芽（1960-1970s）、快速發展（1970-1990s）、壯大成熟（1990s-至今）CAE技術萌芽：1960-1970s這一階段，有限元理論開始發展，分析對象主要是航空航天設備結構的強度、剛度及模態試驗分析，技術條件表現為計算機的硬件內存少、磁盤空間小，計算幅度慢。CAE商業化起源於NASTRAN，脫胎於航空工業。1966年NASA為滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求，提出瞭發展世界上第一套泛用性的有限元分析軟件NASTRAN的計劃。該計劃由計算機科學公司CSC牽頭，MSC公司參與。MSC公司成立於1963年，始終從事計算機輔助工程領域CAE產品的開發和研究，參與整個NASTRAN的開發過程，該計劃的實施標志著CAE脫離學術研究，通用有限元軟件第一次真正意義上投入到工程實踐中。1969年NASA推出瞭第一個NASTRAN版本，成為COSMIC NASTRAN，即後來的NASTRAN level 12。CAE軟件快速發展：1970-1990s1970-1990年代是CAE技術蓬勃發展的時期，SDRC、MSC、ANSYS等公司在技術和應用繼續創新的同時，新的CAE軟件迅速出現。有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得瞭很大的成功，從力學模型開始拓展到各類物理場（如溫度場、磁場、聲波場）的分析；從線性分析向非線性分析（如材料為非線性、幾何大變形導致的非線性、接觸行為引起的邊界條件非線性等）發展；從單一場的分析向幾個場的耦合分析發展。出現許多著名的分析軟件如MARC、I-DEAS、ANSYS、ADAMS、ABAQUS、PHOENICS與FloTHERM等，使用者多數為專傢且集中在航空、航天、軍事等幾個領域。

1990年至今：CAE軟件壯大成熟自1990年以來，CAE軟件積極擴展CAE本身的功能，領域出現吞並的市場局面，大的軟件公司為瞭提升自己的分析技術、拓展應用范圍，不斷尋找機會收購小的專業軟件商，CAE軟件本身的功能得到極大提升。同時，CAD技術的不斷升級為CAE技術的推廣應用打下瞭堅實的基礎，各大分析軟件向CAD靠攏，發展與各CAD軟件的專用接口並增強軟件的前後置處理能力。CAE應用領域拓寬，使用者從分析專傢轉向設計者和設計工程師。1999年，MSC收購瞭UAI和CSAR，成為市場上唯一一傢提供Nastran商業代碼的供應商。由於其壟斷定價的地位阻礙瞭市場競爭，NASA向美國聯邦貿易委員會提出申訴，最終美國FTC判定MSC Nastran壟斷市場，其源代碼必須公開。而後，UGS根據MSC提供的源代碼、測試案例、開發工具和其他技術資源開發出瞭NX Nastran，使得源於NASA的Nastran一分為二，二者保持數據兼容。2003年9月，NX Nastran產品正式發佈，UGS承諾將全力開發支持NX Nastran和NX Nastran的前後處理器（NX MaterFEM，Femap、NX Scenario），並在兩年中每年推出兩個NX Nastran新版本。2007年UGS被西門子收購，2008年推出的NX6產品已將其技術集成到NX系列中。

• 國產CAE行業發展歷程由於計算機條件限制，盡管上世紀60年代我國有限元理論已經成熟，單有限元軟件主要基於分析功能研發。70年代初期，國內出現具有自主知識產權的有限元分析軟件，盡管該類軟件具有較強的理論水平和技術能力，能夠解決特定領域的專業問題，但是軟件的通用性和適用范圍相對局限、缺乏整體競爭力，而且軟件的市場推廣、後續服務能力不足，限制瞭此類本土CAE軟件的市場化及產業化進程。

上世紀70-90年代，國外商業CAE軟件進入穩定商業化運作期，其軟件已不具備明顯的行業特性，並且因為具有較快的求解速度和較高的穩定性、專業性，同時對於工程課題研究或者產品設計具有較強的便利性，在制造業裝備和產品研發中的應用廣泛度逐漸提升，占據領先的市場地位。國內CAE軟件的發展受限於資金投入不足等因素，從基礎研究到工程應用、再到軟件商業化的進程受阻，發展緩慢。

• 近十年國傢政策引導21世紀以來政府陸續出臺瞭一系列扶持政策以推動CAE行業發展。政府出臺的行業支持政策有助於推動CAE技術發展、健全行業標準體系、促進CAE軟件行業應用、加快建立產業生態體系，對於助力下遊工業企業智能化、信息化進程具有重要意義。行業下遊汽車、工程機械、航空航天等行業的市場需求持續增大，刺激CAE市場容量釋放。

2006年以來，國內CAE下遊各行業應用領域市場需求龐大，盡管國外CAE軟件廠商在市場中具有較強的領先優勢，但不能完全滿足中國工程、制造業等領域內研發、生產、制造、建設等環節中的仿真設計需求，市場中存在較多圍繞特定行業應用而催生的CAE軟件二次開發業務，為中國本土CAE軟件的市場化發展提供契機。

21世紀初國內CAE行業進入快速發展時期以來，大量專註於CAE的公司成立，其中代表如上海索辰、安世亞太、前沿動力、雲道智造、英特仿真、索為系統、南京天洑、十灃科技等。

第五章：CAE市場規模2020年全球CAE市場規模約80.2億美元，根據kbvsearch，2016年到2020年市場規模復合增速為12.5%。根據華經情報網，2020年中國CAE市場規模約61.8億元，2016-2020年市場規模復合增速為18.6%。中國CAE市場規模占全球比從2016年的9.3%上升到2020年的約11.5%。市場結構較為穩定，有限元分析是最為主要的組成部分。從全球CAE市場結構看，有限元分析是其中最為主要的組成部分，其次是流體力學分析、多體動力學分析和仿真優化，有限元分析市場規模占比在2014、2015、2019年分別為56%、53%、56%，流體力學分析占比分別為23%、25%、26%。從趨勢看，整體結構較為穩定。

• CAE市場發展要點

1. 市場驅動力：產品可用性是關鍵因素是否運用仿真解放實驗，本質是收益和風險的權衡：收益在於降低成本，風險在於仿真結果與實驗結果可能存在一定誤差。從CAE的角度看，軟硬件進步改善瞭用戶體驗，拓寬瞭產品能力邊界，理論和工程實踐層面的進步提升仿真可靠性是市場發展主要的驅動力。

1. 計算機軟硬件能力提升拓寬CAE能力邊界計算機計算、存儲能力的提升拓展瞭CAE產品的能力邊界，使得理論的進步得以在現實中實現，通過提供更加強大的算力及更先進的圖形技術，支持瞭更貼近現實的物理模型及更高精度的數學求解方法的實現，並且在對結果的分析方面，通過智能分析等技術進一步提升仿真的實踐指導意義。隨著計算、存儲能力的不斷提升，CAE產品的能力邊界不斷被拓寬，表現為更豐富的數學求解方法（如有限元方法拓展、與其他數值方法聯合求解）、更豐富的產品功能（如從求解器向前後置處理軟件拓展）。

以汽車仿真功能變化為例，隨著計算機計算、存儲能力的提升，汽車仿真在不同的細分領域應用深度不斷拓深，從簡單的、低頻的、低精度的領域向復雜的、高頻的、高精度的領域拓展，應用深度進一步提升。

1. 智能化技術提升CAE效率，人工智能技術可與仿真的多個環節結合。人工智能技術能夠與CAE的多個環節相結合，提升CAE的易用性和使用效率。一方面表現為通過AI技術總結經驗的功能，部分替代需要人工參與的環節或為人工提供輔助，增強易用性，如AI提供邊界條件，AI提出修改建議等。另一方面，通過AI算法訓練代理模型，有助於提升計算速度，降低成本。

1. 雲仿真技術推進CAE應用拓展雲端CAE建設包含兩種模式：求解環節雲化和全環節雲化。求解環節雲化，用戶在本地建立模型，將模型、載荷文件上傳，在雲端調動求解器進行求解，隨後將求解結果下載到本地進行後處理。此種模式優勢在於調用的往往是通用求解器，具有較強的通用性，且實踐較為簡單。全環節雲化：該模式不僅包含雲求解器，還包括通過網頁快速參數化建模、載荷求解設置以及後處理。用戶能夠在網頁端實現從建模到求解，再到可視化分析及後處理的完整流程。雲CAE提供多端訪問、資源分配的靈活性，以ANSYS雲平臺為例，通過ANSYS Cloud Gateway，可以實現多終端訪問，支持電腦、平板或者手機等終端，通過Web形式即可訪問數據。通過雲模式，用戶能夠選擇所需要的計算資源，在計算資源運用上具有一定的靈活性，有助於提升計算的速度。
2. CAE與CAD協同不斷推進從歷史演進看，CAE與CAD的合作不斷在推進。90年代，CAD公司與CAE公司開始出現合作趨勢，兩款軟件逐漸通過數據接口或者商品化框架集成。2000年之後，CAD廠商開始對CAE軟件進行並購，最終形成瞭比較完整的軟件體系，而且從底層數據結構的層面上實現瞭二者的融合。

在工程實踐中，CAD與CAE的系統主要依賴三種途徑。一是采用同一公司開發的集成化軟件：二是利用大型商用軟件之間的數據接口程序，但該方法對於對接雙方彼此的軟件版本有嚴格要求；三是利用應用程序與標準數據之間的數據交換界面，以標準格式為媒介實現二者的數據傳遞。集成化軟件的開發與數據接口需要公司、產品之間的配合，而統一數據標準的建立則有助於推動CAD與CAE協同進一步的推進。數據交換標準的建立使得不同的子系統之間、不同模塊間的數據交換能夠順利進行。上世紀80年代，行業誕生瞭IGES、PDDI、PDES等多個數據交換規范標準。STEP數據標準由ISO制定，在3D的CAD模型文件中應用廣泛，國際標準化組織ISO所屬工業數據分技術委員會為解決各種CAD系統之間的不兼容問題，從1983年開始著手組織制定一個統一的數據交換標準STEP，為產品規定其生命周期內唯一的描述和計算機可處理的信息表大形式。至1994年已完成其中12個分號標準，隨後該標準被美國波音公司等11傢航空巨頭、美國海軍及大量工業客戶采用。CAD與CAE協同意義：CAD技術的出現，使得設計人員可以用計算機而非圖板進行產品二維圖形的設計。而隨著計算機技術的不斷突破，CAD技術逐漸從計算機輔助繪圖發展演變為計算機輔助設計技術，即直接采用三維模型進行產品設計。在三維模型發展過程中，CAD技術經歷瞭從線框技術到曲面技術，再到實體造型技術的發展。其中，由於實體造型技術能夠比較精確地表達零件的全部屬性，因此在理論上為統一CAD與CAE的模型表達奠定瞭基礎。

CAE軟件在與CAD的融合過程中不斷強化其前處理能力。上世紀90年代，在發展Windows界面應用的過程中，CAD與CAE開始進行融合。其中，CAE軟件通過積極發展對各CAD軟件的專用接口，便於高質量模型的導入，減少瞭幾何清理的難度，大大增強瞭軟件的前處理能力。前處理能力的增強有助於提升CAE的求解效率。CAE前處理是將CAD數據轉換為在某種工程問題下可計算的數值模型的過程，主要流程包括幾何處理、網格劃分、材料設定、約束加載和輸出定義。

1. 虛擬現實技術的發展改善瞭CAE使用體驗。虛擬現實技術運用計算機圖形構成的三維空間產生一種人為虛擬的環境，使得用戶在視覺上產生沉浸於“現實”環境的感覺。隨著專用於圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片發展，計算機的圖形處理能力迅速提高，加之三維圖形算法、參數化建模算法的發展，快速真三維的虛擬現實技術將會不斷地發展成熟。由此帶來的，是CAE軟件在復雜的三維實體建模及相關的靜態和動態圖形處理技術方面的新發展。
2. CAE產品逐步降低人為因素的影響人在仿真中的作用仍然重要：CAE產品在工程中仍然是處於輔助的地位，人的經驗在其中仍然起著重要的作用，這使得CAE仿真過程的產品化受到一定的限制，智能化技術的運用在一定程度上能夠改善這一問題，此外，專業的咨詢團隊外包也一定程度上改善瞭這一問題。在利用CAE進行仿真分析的過程中，CAE軟件的角色隻是作為輔助工具，核心參數的界定，模型的簡化，結果的分析都需要與人的工程、理論知識相結合。在產品化過程中，人為因素的降低成為推動CAE推廣的重要動力。

對於重要仿真模型的參數，來源包括外部及內部兩大途徑，均與工程積累密切相關。其中，外部來源如通過供應商提供或行業規范、參考文獻等，而外部標準來源本質上是來自於現有的工程實踐的積累；內部來源包括實驗、擬合、內部規范等途徑，內部規范往往在比較成熟的仿真流程中，隨著經驗的積累逐步形成。對於較新的仿真流程，往往內部需要通過實驗獲得參數。

1. CAE仿真規范的逐步建立推進CAE行業發展CAE發展的早期時代，存儲空間有限，所能容納的數據收到限制。隨著PC硬盤容量的不斷提升，更多的計算模型、標準規范、設計方案等知識性信息被納入CAE軟件的數據庫中，使CAE數據庫及數據管理軟件迅速發展，高性能的面向對象工程數據庫及管理系統出現在新一代的CAE軟件中。企業建立CAE仿真分析規范，有助於提升CAE仿真的規范化、標準化程度，規范的建立需要企業通過試驗和仿真相互校核建立標準，並通過積累、更新機制不斷完善規范，本質是企業工程分析經驗與知識的凝練。分析工程師由於專業知識背景、軟件掌握能力、產品理解程度不同，可能導致模型簡化、網格劃分、邊界處理上的不同，影響分析結果可靠性。通過建立仿真規范，對各個環節規范指導，有助於加強結果可靠性，利於CAE的推廣。

CAE仿真規范建立是CAE軟件應用的重要推動力。航空航天、汽車領域仿真標準率先建立，CAE相關的應用也得到瞭較好的推廣。隨著更多行業內仿真標準的建立，CAE有望在更多行業內獲得使用。

1. CAE咨詢幫助企業解決復雜場景問題CAE咨詢是給客戶提供實際工程問題的CAE仿真解決方案，同時也配套方案後面所能提供的一系列技術服務，具體可以包括網格設計和劃分、結構線性與非線性分析、CFD分析、動力學分析、流固耦合分析、優化分析等，通過CAE咨詢，為客戶提供量身定制的解決方案，並通過CAE技術解決客戶的實際工程問題。幾乎所有的咨詢類公司也都是基於目前市場上較為通用的CAE軟件提供工程實際問題的解決方案，不過隨著軟件二次開發技術的越來越透明，所需解決的問題越來越復雜，針對工程問題的二次開發定制也逐漸應用的多起來。
2. 仿真效果的逐步優化仿真本質是用物理模型模擬現實，用數學求解物理模型，再用數學結果指導現實，過程中可能產生三重誤差，物理理論、數學理論的發展、工程實踐的積累等途徑有助於從不同側面減少仿真的誤差，改善仿真效果，增強仿真的實踐指導意義，成為CAE產品應用的重要推動力。

CAE利用的算法往往是通過數學方法獲得數值解，方法本身具有局限性，存在不可避免的誤差，可能影響最終的效果，而通過合適的算法改進，可以針對特定的應用盡可能減少誤差，成為推動CAE在細分領域推廣的重要動力。

CAE算法本質是數學理論的應用，數學理論的進步推動算法的提升，從而能夠對更加復雜的物理模型進行計算求解，CAE解決問題的能力也由此進一步提升，隨著數學理論的進步，CAE所能解決的問題從線性、單體建模、單一場分析、尺寸參數優化進步到非線性、多體系統、多物理場耦合、形狀優化。算法的演進有助於其向更多的應用范圍拓展，以有限元算法為例，從最初的求解結構的平面問題不斷拓展，由二維擴展到三維、板殼問題，由靜力學拓展到動力學、穩定性問題，由機構力學擴展到流體力學、電磁學、傳熱學等，由線性擴展到非線性問題，由彈性材料擴展到彈塑性、塑形、粘彈性、粘塑性和復合材料。

1. 不同的計算特點適用不同計算場景

從計算耗費資源及精確度看，有限元法和邊界元法在低頻場景較為適用、統計能量分析法、聲線聲錐法較適用於中高頻場景。

多物理場耦合在產品開發方面面臨數據傳遞等問題，多物理場耦合理論基礎為求解PDE：求解多物理場耦合的理論基礎是偏微分方程（PDE），但與但物理場求解不同的是要同時求解多個偏微分方程，即偏微分方程組。由於求解較為困難，實際應用中往往采取變通解法簡化計算。多物理場耦合求解涉及數據傳遞等問題：在多物理場耦合求解中往往根據物理模型對耦合類型進行劃分，涉及不同格式數據交互，不同場間數據傳遞，網格匹配等問題。其中信息傳遞的精度是影響求解準確性的關鍵因素。

多物理場耦合求解計算量較大，隨著計算機性能的提升，多物理場耦合自90年代至今逐步從理論走向實踐，但由於計算量較大，當前的多物理場耦合往往還是采取各種形式的簡化方法，仍然涉及多種軟件、算法以及數據互換的問題。

第六章：海外CAE龍頭分析

• ANASYSANSYS成立於1970年，致力於工程仿真軟件和技術的研發，在全球眾多行業中，被工程師和設計師廣泛采用，公司重點開發開放、靈活的，對設計直接進行仿真的解決方案，提供從概念設計到最終測試產品研發全過程的統一平臺，同時追求快速、高效和成本意識的產品開發。ANSYS公司和其全球網絡的渠道合作夥伴為客戶提供銷售、培訓和技術支持一體化服務。據公司官網，ANSYS公司總部位於美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，全球擁有60多個代理，1700多名員工，在40多個國傢和地區銷售產品。ANSYS2006年到2020年營收收入穩定增長，CAGR達14.14%，2020年公司實現營業收入16.8億美元，同比增長10.9%。此外，公司凈利潤保持穩定增長，從2007年的0.8億美元增長至2020年的4.3億美元，凈利潤翻瞭5倍，CAGR達到13.68%。2020年公司凈利潤約4.3億美元，同比下降3.8%。ANSYS提供多種仿真產品滿足不同行業需求，集成化的設計環境，實現瞭結構、振動、熱、流體、電磁場、電路、系統、芯片等多域多物理場及其耦合仿真，滿足各個行業的仿真需求，幫助使用者提高設計效率和產品性能，降低成本。

• DassaultDassault成立於1981年，是一傢法國工業軟件公司。達索系統公司脫胎於著名的航空制造商達索集團，它在達索集團成立後的很長一段時間力，專註於飛機的研發和制造。達索系統公司主要從事3D設計軟件、3D數字化實體模型和產品生命周期管理解決方案，為各行業，提供工業軟件系統服務，以及技術支持。達索CAE產品主要為SIMULIA。SIMULIA（前身為ABAQUS公司）是世界知名的計算機仿真軟件，創立於1978年，其主要業務為著名的非線性有限元分析軟件Abaqus進行開發、維護和售後服務，SIMULIA提供瞭先進的模擬產品組合，可用於多物理、流程集成和優化：Abaqus FEA、fe-safe、Isight、Tosca、Simpack、Simpoe和SIMULIASLM。此外，SIMULIA V5和V6解決方案還允許目前在CATIA V5或V6環境中工作的設計人員和設計工程師執行現實模擬。
• Siemens

西門子是全球最大的工業軟件公司之一。西門子於1847年成立，總部位於德國慕尼黑和柏林，其電子與電機產品是全球業界先驅，並活躍於能源、醫療、工業、基礎建設及城市業務等領域。目前在全球擁有385000名員工，公司業務遍佈190個國傢。西門子CAE方面的佈局主要是Simcenter，Simcenter是西門子數字化工業軟件開發的一個靈活的、開放的且可擴展的仿真預測分析以及測試應用的工具組合，包含系統仿真、多學科CAE仿真、自動駕駛仿真、測試及測試分析軟件。

• Altair

Altair是一傢全球技術公司，在仿真、高性能計算和人工智能等領域提供軟件和雲解決方案。公司總部位於美國密歇根州，服務於11000多傢全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。公司的仿真驅動創新方法是由公司的繼承軟件套件提供的，其通過多個學科優化設計性能，包括結構、運動、流體、熱管理、電磁學、系統建模和嵌入式系統，同時還提供數據分析和真實的可視化渲染。Altair在CAE領域的主要產品為HyperWorks，HyperWorks是一個企業級CAE仿真平臺解決方案，整合瞭一系列一流的工具，包括建模、分析、優化等。

• Hexagon

Hexagon AB是一傢上市的全球信息技術公司，專註於硬件和軟件數字現實解決方案。公司成立於1992年，總部位於瑞典斯德哥爾摩，在英國，意大利，法國，日本、美國、巴西、荷蘭和中國均設立有直屬機構，通過各地的子公司和經銷商網絡，產品已遍佈超過45個國傢，全球裝機量實現135000以上。2017年2月2日，Haxagon集團宣佈並購MSC軟件公司，MSC的CAE產品包括集成解決方案、求解器解決方案、建模解決方案等。

• Autodesk

Autodesk是全球知名的二維和三維設計、工程與娛樂軟件公司之一。公司為制造業、工程建設行業、基礎設施行業以及傳媒娛樂業提供卓越的數字化設計、工程與娛樂軟件服務和解決方案。自1982年AutoCAD正式推向市場。Autodesk軟件已被用於許多領域，為建築、工程、施工、制造、媒體、教育和娛樂行業提供軟件產品和服務，包括從美國世貿中心到特斯拉電動汽車的項目中。Autodesk主要CAE產品包括Inventor Nastran、Moldflow、Fusion360、Autodesk CFD等。

• ESI

法國ESI集團是世界領先的世界領先的虛擬工程軟件及服務供應商，其在虛擬樣機方面建樹頗高，同時在工業CAE領域也是專傢級別的存在。ESI集團成功的關鍵是使用真實的材料物理特性，提供“真實”的虛擬解決方案，以便替代繁瑣的物理樣機試錯過程。ESI集團的業務逐年持續穩定增長，總部設在巴黎，在全球有近850名專傢通過分公司、辦事處和代理機構為三十多個國傢提供軟件銷售和技術支持服務。

• ADINA

ADINA主打CAE產品為ADINA。公司創立於1986年，總部位於美國馬薩諸塞州。該公司專門致力於開發能夠對結構、熱、流體及流構耦合、熱構耦合問題進行綜合性有限元分析的程序—ADINA，從而為用戶提供一攬子解決方案。ADINA的客戶群遍佈全球，包括航空航天、汽車、生物醫學、建築、國防、成型、高科技、機械、核能和石油和天然氣行業的大公司，以及許多大學和研究機構。

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