1 CAE 的本質是物理學/數學+計算機科學+工程學
CAE 基本概念：CAE 主要模塊包括前處理、求解器和后處理
CAE 即計算機輔助設計（Computer Aided Engineering），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，并證實未來工程、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 。
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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、專家 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（大多為有限元分析）、后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 。
我們認為，工業軟件與工業流程一一對應：有什么樣的工業流程，就有什么樣的工業軟件； 有什么樣先進的工業流程，就有什么樣先進的工業軟件 。
從核心工作流程來看，CAE 軟件仿真過程包括前處理、求解、后處理、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； 后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果設計進行修改，并再 次回到前處理流程；最終獲得合意結果后，通過圖形化方式向用戶進行報告 。
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前處理過程來看，前處理模塊的主要用于對工程或產品進行建模，完成分析數據的輸入， 建立合理的有限元模型 。具體來說，前處理模塊主要功能包括給實體建模與參數化建模、 構件的布爾運算、單元自動?剖?分、節點自動編號與節點參數自動生成、載荷與材料參數直 接輸入有公式參數化導入、節點載荷自動生成、有限元模型信息自動生成等 。
求解過程來看，以有限元分析模塊為例，主要流程包括對有限元模型進行單元特性分析、 有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成 。一般而言有限元分析模塊有如下子 系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等 。按照對象的物理、力學和數學特征，求解過程可以分解成若干個子問題，由不同的有限元 分析子系統完成 。
后處理過程來看，后處理模塊主要基于求解分析結果，以圖形方式向用戶展示仿真結果 。具體而言，后處理模塊主要功能包括對求解分析結果進行數據平滑、對各種物理量進行加 工和顯示、對工程或產品設計要求的數據檢驗和工程規范進行校核、設計優化與模型修改 等 。
CAE 本質：物理學/數學+計算機科學+工程學
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；而后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，并利用 計算機圖形學實現可視化和用戶交互；最后，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 。
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CAE 底層是物理學+數學
軟件內層來看，物理學和數學是 CAE 軟件的真正核心 。
1）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（Meshfree）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于 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、后處理 的過程無非是設置形函數，離散，形成求解矩陣、數值解矩陣，最后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，借助于變分原理或加權余量法，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 。
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2）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、塑性力學、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并存的形式存在，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理論、流體動力學模擬、電動力學 應用、計算電磁場、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 中層是計算機科學
CAE 軟件中層來看，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，其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、有限元模型、后處理器、求解器、圖形、 公共模塊、高性能計算（HC）、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 3 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 以及在后處理中提供計算機圖形處理和展示 。
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CAE 外層是工程學
CAE 軟件外層來看，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了基本功能模塊，但 CAE 軟件要想 真正為用戶所用、服務與工業流程，還需要經過工程學的淬煉 。
1）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，實現上下游協作，需要 CAE 開發者在設計之初 就對工程工作流有深刻的思考 。
2）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，下游用戶的使用習慣和綁定程度 也決定了 CAE 軟件在工程學領域的應用形式 。
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CAE VS CAD：互相包含又各有專攻
CAE 與 CAD 的關系可以簡要概括為互相包含又各有專攻 。CAD 即計算機輔助設計，重點 在于設計；CAE 即計算機輔助工程，重點在于仿真 。
1）從 CAE 工作流程的來看，仿真過程之前需要創建部件模型和有限元模型以進行前處理 。這一過程中，一般的商業 CAE 軟件都提供了 CAD 功能以供用戶對幾何模塊進行創建、編 輯、管理等，但功能較為簡單 。而復雜的工程問題，其幾何模型往往非常復雜，計算工作 者更愿意使用專業的幾何建模軟件（即 CAD 軟件，如 AutoCAD、CATIA、Inventor 等）來 生成此類幾何 。由此可見，CAD 并不是 CAE 軟件的重點，而是 CAE 軟件前處理流程的專 業化拓展 。但 CAE 軟件中的 CAD 模塊能提高 CAE 仿真效率，實現對 CAD 數據的修補， 避免外部 CAD 數據與 CAE 接口之間的損耗 。
2）從 CAD 工作流程來看，仿真是設計過程向下的自然延伸，不少 CAD 軟件同樣包含了 CAE 仿真功能 。如 PTC 的 CAD 產品 Creo 能夠實現對結構力學、流體力學、熱力學等學 科的仿真分析；達索的 CAD 產品 Solidworks 擅長結構力學中的斷裂、耐久性、壓力艙、 流體力學中的流體膜、電磁學中的電傳導等場景下的仿真分析 。
3）發展趨勢來看，CAE 與 CAD 有望趨于融合 。傳統意義上設計與仿真界限分明，CAD 軟件往往通用性質與垂直性質兼具，而 CAE 軟件則更強調行業與場景下的工程問題的解決， 分工明確 。但隨著研發設計即將承擔越來越多的職責，尤其是并行工程（Concurrent Engineering，CE）等概念從提出到落地，研發已經逐漸從最初的注重產品的外在性質到同 時關注產品可生產性、物料可采購性、客戶需求全面性、產品可維護性以及產品可盈利性 等多樣特性 。
2 CAE 的核心能力在于仿真，應用方式因行業而異
軟件視角：CAE 的核心能力在于仿真
仿真（Simulation）也稱模擬，就是對現有或未來系統進行建模并試驗研究的過程，按模 擬對象可以分為離散事件模擬與連續模擬 。CAE 仿真即用于模擬零件、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、方案比較等等 。
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仿真過程的關鍵在于將現實轉化為仿真模型，CAE 軟件為這一過程提供軟件支持 。在仿真 的前期過程中，關鍵步驟在于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于冗余，拉長產品上市時間；但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 。CAE 軟件提供了兩種解決方式：
1）供給端：一款優秀的商用 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 。
2）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 。
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CAE 仿真通過指導設計、解放試驗大大縮短了工業產品開發周期，節省研發設計費用 。
1）設計角度來看，仿真通過指導設計推動了技改，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，確保了設計的合理性，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 間接指導了設計，其中價值主線實質上來自于仿真的數據結果 。
2）試驗角度來看，準確的虛擬仿真可以有效降低試驗成本 。傳統設計過程后主要通過生產 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后即可進行量產 。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 。
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工程視角：CAE=計算機軟件+工程工作流
從工程角度來看，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 要分析并確認客戶需求，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，并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 。
從軟件角度來看，CAE 在產品不同生命周期中提供仿真分析能力支持 。具體而言，產品生 命周期不同階段對 CAE 軟件的仿真需求也有所不同：
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 。在確定需求之后， 設計人員可以使用 CAE 軟件可以對概念產品進行構建，甚至建造并驗證試驗性原型機 。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 仿真分析：系統設計和詳細設計階段對于 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、 制造上是否可行，已有的加工設備是否滿足結構設計要求（譬如板厚及半徑等），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 仿真分析：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并投入試驗，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 仿真分析：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 。
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行業視角：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于工程師的經驗，需要使用者對本行業的制造工藝、工況有 深刻的理解；
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航空工業來看，CAE 在航空工業中的應用可以概括為三個層面：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）計算及氣動布局的最優化設計；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干擾分析；天線布局設計；軍用飛機雷達散射截面（RCS） 計算；電氣設備效率和安全性分析等 。
船舶制造業來看，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， 縮短設計周期愈發顯得重要 。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、穩性等多方面的技術問題 。民船的設計往往更偏向于提高結構強度、載 重量和快速性等方面，主要技術問題集中于結構強度與水動力性能方面 。
橋梁建筑行業來看，使用 CAE 軟件仿真模擬對于橋梁設計和安全控制有重要意義 。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 有限元分析可以用于模擬各 類橋梁的受力、施工工況、動荷載的耦合等 。靜力分析中，可以較精確的反應出結構的變 形、應力分布、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 。
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3 海外 CAE 行業發展成熟，國內廠商加速發展
探索時期：CAE 技術萌芽（1960-1970s）
1960-1970 年代，CAE 軟件處于探索時期，CAE 技術和相應產品處于萌芽階段 。這一時期， 有限元的理論處于發展階段，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、磁盤的空間小、計算速度慢 。
CAE 商業化起源于 NASTRAN，脫胎于航天工業 。1966 年美國國家航空航天局(NASA)為 了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求，提出了發展世界上第一套泛用型的有限 元分析軟件 Nastran(NASA STRuctural ANalysis Program)的計劃 。該計劃由計算機科學公 司(CSC)牽頭， MSC 公司參與 。MES 公司成立于 1963 年，始終從事計算機輔助工程領域 CAE 產品的開發和研究，憑借過硬的技術實力，在 NASTRAN 招標過程中順利中標，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 推出了其第一個 NASTRAN 版本，稱 為 COSMIC Nastran，即后來的 NASTRAN Level 12 。
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快速發展時期：CAE 軟件涌現（1970-1990s）
1970-1990 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 得了很大的成功，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，Nastran，I-DEAS，ANSYS，ADAMS，ABAQUS，PHOENICS 與 FloTHERM 等，使用者多數為專家且集中在航空、航天、軍事等幾個領域 。
成熟階段：CAE 軟件百花齊放（1990 年至今）
上世紀 90 年代至今是 CAE 技術的壯大成熟時期 。CAE 軟件積極擴展 CAE 本身的功能， 領域出現吞并的市場局面，大的軟件公司為了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 技術不斷 升級，為 CAE 技術的推廣應用打下了堅實的基礎，各大分析軟件向 CAD 靠攏，發展與各 CAD 軟件的專用接口并增強軟件的前后置處理能力 。CAE 應用領域拓寬，使用者從分析專 家轉向設計者和設計工程師 。
Nastran 軟件市場化進程：從競爭到壟斷再到競爭 。1999 年，MSC 收購了 UAI 和 CSAR， 成為市場上唯一一家提供 Nastran 商業代碼的供應商 。由于其壟斷定價的地位阻礙了市場 競爭，NASA 向美國聯邦貿易委員會(FTC)提出了申訴，最終美國 FTC 判“MSC Nastran 壟斷”，MSC Nastran 源代碼須公開 。而后，UGS 根據 MSC 所提供的源代碼、測試案例、 開發工具和其他技術資源開發出了 NX Nastran，使得源于 NASA 的 Nastran 一分為二，二 者保持數據兼容 。2003 年 9 月，NX Nastran 產品正式發布 。UGS 承諾將全力開發支持 NX Nastran 和 NX Nastran 前后處理器（NX MaterFEM，Femap，NX Scenario），并在兩年 中每年推出兩個 NX Nastran 新版本 。2007 年 UGS 公司被西門子收購，2008 年推出的 NX6 產品已將其技術集成到 NX 系列中 。
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國產 CAE 廠商加速發展
開發初期，國內 CAE 理論和技術水平較高，但應用范圍受限，阻礙國內 CAE 市場化進程 。上世紀 60 年代我國有限元理論已經成熟，由于計算機條件限制，有限元軟件主要基于分析 功能研發 。70 年代初，國內出現具有自主知識產權的有限元分析軟件，盡管這一類國產 CAE 軟件具有較強的理論水平和技術能力，能夠解決特定領域內的專業問題，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、后續服務能力不足，限 制了此類本土 CAE 軟件的市場化及產業化進程 。
上世紀 70-90 年代，國外 CAE 軟件的大量進入和快速發展，使國內 CAE 軟件廠商受到沖 擊，商業化進程受阻，發展緩慢 。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，并且因為具有較快的求解速度和較高的穩定 性、專業性，同時對于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 軟件的發展受限于資金 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 。
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21 世紀以來政府陸續出臺了一系列扶持政策以推動 CAE 行業發展 。政府出臺的行業支持 政策有助于推動 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，對于助力下游工業企業智能化、信息化進程具有重要意義 。行業下游汽車、 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 。
市場需求龐大，為國內廠商發展提供環境 。2006 年以來，國內 CAE 下游各行業應用領域 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 。
2015 年 8 月，中國工業軟件產業發展聯盟 CAE 分聯盟在工信部信軟司的大力支持下成立， 聯盟旨在打造從技術研發，到技術產業化，再到企業在產品創新設計中應用的完整的 CAE 行業產業鏈 。
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自國內 CAE 行業邁入快速發展時期，大量 CAE 公司成立，其中代表如上海索辰信息科技 有限公司、前沿動力集團、元計算、速石科技、中望軟件等 。
4 全球 CAE 市場規模約數十億美元，產品可用性是關鍵驅動因素
全球 CAE 市場規模約 80.2 億美元
2020 年全球 CAE 市場規模約 80.2 億美元 。從全球 CAE 市場規?？?，量級大約在百億美 元級別，據 kbvresearch，2020 年全球 CAE 市場規模達到 80.2 億美元 。2016-2020 年市 場規模復合增速為 12.5% 。
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2020 年中國 CAE 市場規模約 61.8 億元 。據華經情報網，2020 年中國 CAE 市場規模預計 達到 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 。
汽車是目前最主要的應用場景 。從 CAE應用的具體場景看，汽車是目前最主要的應用場景， 據 marketintellica，2019 年全球 CAE 市場中 36%的收入來自汽車行業的應用，其次是電子 電氣、航空航天及國防，占比分別為 22%、21% 。
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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：收益在于減少成本，風險在于仿真結 果與實驗結果可能存在一定誤差 。從 CAE 的角度看，軟硬件進步改善用戶體驗，拓寬產品 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 。
計算機軟硬件能力提升拓寬 CAE 能力邊界
從 C 的角度看，關注計算機軟硬件能力提升：計算機計算、存儲能力的提升拓展了 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，支持了更貼近現實的物理模型建模及更高精度的數學求解方法的實現，并且在 對結果的分析方面，通過智能分析等技術進一步提升了仿真的實踐指導意義 。
硬件能力提升拓寬能力邊界：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（如從求解器向前后置處理軟件拓展） 。
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硬件能力提升拓深應用深度：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 。
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 的易用性與使用效率 。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，有助于提升計算速度， 降低成本 。
云端 CAE 的建設包含兩種模式：求解環節云化和全環節云化 。部分云化：第一種模式是求 解環節的云化，用戶在本地建立模型，將模型、載荷文件上傳，在云端調動求解器進行求 解，隨后將求解結果下載到本地進行后處理 。此種模式優勢在于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 。全環節云化：第二種模式是全環節的云化，不僅包 含云求解器，還包括通過網頁快速參數化建模、載荷求解設置以及后處理 。用戶能夠在網 頁端實現從建模到求解，再到可視化分析及后處理的完整流程 。
CAE 文件不斷變大，仿真協同難度上升：CAE 文件安裝包大小不斷擴大，如今 CAE 軟件 安裝包大小已經達到約 20GB 。此外，CAE 應用于更加復雜的場景，文件因此不斷變大， 當前 CAE 結果文件達到 50-200GB 。隨著文件大小的增加，傳統的協同方式對傳輸提出了 較大的挑戰 。
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云 CAE 提供多端訪問、資源分配的靈活性 。
1）多終端訪問靈活性：以 Ansys 云平臺為例，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 。
2）計算資源分配靈活性：通過云模式，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，有助于提升計算的速度 。
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 年之后，CAD 廠商開始對 CAE 軟件進行并購，最終形成了比較完整的軟件體系，而 且從底層數據結構的層面上實現了二者的融合 。
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在工程實踐中，CAD 與 CAE 的協同主要依賴三種途徑 。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，但該方法對于對接雙方彼此的軟件版 本有嚴格的要求；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 。
建立統一數據標準有助于推進協同：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于推動 CAD 與 CAE 協同進一步的推進 。
數據交換標準的建立是產品協同的重要因素：數據交換標準的建立使得不同的子系統間、 不同模塊間的數據交換能夠順利進行 。上世紀 80 年代，行業誕生了 IGES、 PDDI、PDES 等多個數據交換規范標準 。
STEP 數據標準（Standard for the Exchange of Product Model）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 系統之間的不兼容的問題，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達形式 。至 1994 年 已完成其中 12 個分號標準，隨后該標準被美國波音公司等 11 家航空巨頭、美國海軍及大 量工業客戶采用 。
推動 CAE 和 CAD 協同的意義在于兩方面：CAD 發展推動 CAE 發展、良好的前處理有助 于提升求解效率 。
1）CAD 技術不斷發展，為 CAE 技術推廣應用打下堅實基礎 。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 技術經歷了從線框技術到曲面技術，再到實體 造型技術的發展 。其中，由于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 的模型表達奠定了基礎 。
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2）良好的前處理有助于提升求解效率 。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，便于高質量模型的導入，減 少了幾何清理的難度，大大增強了軟件的前處理能力 。前處理能力的增強有助于提升 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 。
虛擬現實技術為工程數據可視化提供了新的描述方法，改善 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于 “現實”環境的感覺 。隨著專用于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 。
CAE 產品逐步降低“人”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于輔助的地位，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了這一問 題 。
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CAE 需要使用者具備一定的知識背景：在利用 CAE 進行仿真分析的過程中，CAE 軟件的 角色只是作為輔助工具，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 。
重要參數與工程積累相關：對于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：1）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于現有的工程實踐的積累；2）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 。對于較 新的仿真流程，往往內部需要通過實驗獲得參數 。
途徑一：存儲技術的發展為數據沉淀創造了可能 。CAE 發展的早期時代，存儲空間有限， 所能容納的數據受到限制 。隨著 PC 硬盤容量的不斷上升，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 。
途徑二：建立 CAE 仿真分析規范有助于知識積累：企業建立 CAE 仿真分析規范，有助于 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，并通過積累-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 。
CAE 仿真規范減少人為因素影響，有助于 CAE 推廣應用：分析工程師由于專業知識背景、 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，有助于加強結果可靠性，利于CAE 的推廣 。
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CAE 仿真規范建立是 CAE 軟件應用的重要推動力 。航天、汽車領域仿真標準率先建立： 從歐美仿真標準建立情況看，航天、汽車行業率先建立了仿真標準，CAE 相關的應用也得 到了較好的推廣 。我們認為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 。
途徑三：CAE 咨詢有助于客戶在實際工程中采用 CAE 。CAE 咨詢即是給客戶提供實際工 程問題的 CAE 仿真解決方案，同時也配套方案后面所能提供的一系列技術服務，具體可以 包括網格設計與劃分、結構線性與非線性分析、CFD 分析、動力學分析、流固耦合分析、 優化分析等等 。通過 CAE 咨詢，為客戶提供量身定制的解決方案，并通過 CAE 技術解決 客戶的實際工程問題 。
CAE 咨詢公司的技術方案最終實現是依賴各類 CAE 軟件，幾乎所有的咨詢類公司也都是 基于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 。
仿真效果逐步優化
關注仿真誤差縮?。悍抡姹举|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 途徑有助于從不同側面減小仿真的誤差，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 。
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算法帶來的誤差必然存在：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，可能影響最終仿真的效果，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 。
數學理論進步，算法不斷演進，推動 CAE 解決問題能力提升：CAE 算法本質是數學理論 的應用，數學理論的進步推動算法提升，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 。
算法應用范圍不斷擴展：算法的演進有助于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，由靜力學擴展到 動力學、穩定性問題，由結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、塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料 。
不同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、聲線聲錐法較適用于中高頻場景 。
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)，但與單物理場求解不同是是要同時求解 多個偏微分方程，即偏微分方程組(PDEs) 。由于求解較為困難，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 。
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算力進一步提升，真正的多場耦合有望實現，仿真效果或將進一步優化 。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， 但由于計算量較大，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 。
5 風險提示
1）技術進步不及預期 。若 CAE 產品的技術進步不及預期，無法滿足下游行業更加復雜的 仿真分析要求，CAE 在工藝流程中的價值占比提升可能不及預期 。
【CAE的概念和本質 電腦輔助設計】2）市場競爭加劇 。海外 CAE 市場發展成熟，龍頭企業具備較強產品競爭力；此外，國內 政策扶持下新興 CAE 廠商數量增加，在前后處理及求解器模塊上具備特色功能，若市場競 爭加劇，可能對 CAE 廠商產生不利影響 。

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