【中國傳動網 市場分析】 CAE是“智能制造”、“工業互聯網”、“數字孿生”等新理念的基礎，在工業制造中的作用無可替代。

國外CAE軟件發展的三個階段

從上世紀60年代初在工程上開始應用到今天，CAE已經經歷了50多年的發展歷史。在1990年代中期便形成了包含眾多單元類型、材料模型及分析功能豐富的軟件產品，并且經過了大量工程應用考核和專業機構認證，大型通用商業軟件的發展達到頂峰，也正是在這個時期，國外CAE軟件開始大舉進入我國市場。此后十年，到2000年代中期，隨著有限元理論與算法日臻成熟，數值計算新方法新理論并沒有新的突破，一些關鍵的CAE軟件技術難點也沒有太多進步，如ANSYS軟件最后還是通過并購，才解決熱力耦合問題的分析求解。但是，國外商業CAE軟件在功能上已基本滿足現有工業設計的需求，因此，這一時期求解器技術上的發展并不十分突出，國外CAE軟件的發展基本上處于鞏固完善和拓展市場階段。最近十年，CAE市場進入了瘋狂并購階段。根據《知識自動化》的統計，近二十年來僅ANSYS、MSC、達索、ESI和西門子這五家廠商就并購了100多家軟件企業，其中30多起并購事件發生在最近三年內，可以說CAE近十年來的發展基本上就是買買買(國外仿真軟件的鯊魚進化史)。在分析能力上并沒有太多新成就，技術水平提升緩慢，應該說軟件的分析能力發展不超過20%。

概括而言，國外CAE軟件發展可分為三個時期，1990年代中期以前為發展期，該時期主要以軟件技術提升與功能拓展為主;1990年代中期至2000年代中期為壯大期，這一時期主要以拓展市場為主、功能提升為輔;2000年代中期至現在的十年間為成熟期，各大CAE廠商忙于并購與重組，重新整合市場，在技術上以通過并購實現橫向擴展為主，縱向提升緩慢，技術能力處于平臺期，軟件的發展由核心技術發展轉向概念創新發展。

圖1四大CAE巨頭的并購與發展斷代

國內CAE軟件的發展與現狀

國內有限元軟件開發起步并不晚，基本上從1970年代就開始專有程序的研制。近40年來，我國在CAE理論研究和軟件自主開發方面的努力始終沒有停止過，也有一些擁有自主知識產權的軟件系統脫穎而出，如大連理工大學開發的JIGFEX、中國飛機強度研究所開發的HAJIF、中國科學院數學與系統科學研究所開發的FEPG、鄭州機械研究所開發的紫瑞CAE、航空工業總公司開發的APOLANS、北京大學力學與工程科學系在美國SAP軟件源碼基礎上開發的SAP84等等，這些軟件在1990年代中期其分析能力達到了一定水平，甚至在某些方面并不亞于國外同類產品，但后來在國外產品的擠壓下逐漸凋零。

正如同國外CAE軟件的發展一樣，國內CAE軟件也同樣經歷了三個時期的發展，在時間上也十分一致。1990年代中期以前為技術發展期，該時期主要以算法理論及程序編制與提升計算性能為主，嚴格意義上說還不能稱之為軟件，只是科研院所為解決科研問題或產品設計中遇到的需要通過計算機模擬的相關技術問題而編寫的數值計算程序，只有參與編寫程序的相關課題組人員才能熟練使用。它屬于專家科研程序，非一般工程師所能掌握。這一時期國內有些行業的數值計算程序在某些方面甚至超過了國外商用軟件的水平。

1990年代中期至2000年代中期可以說是國內CAE軟件的沉寂期。在這一時期，國外商業CAE軟件進入穩定的商業化運作期。其軟件已不具備明顯的行業特性，更加突出了軟件的專業特性，使得無論是科研機構的科研人員還是工業設計部門的工程師都能夠很便捷地借助國外商業CAE軟件快速完成課題研究或產品設計，也正是在這一時期，CAE軟件被廣泛應用在裝備和產品的研制過程中，逐漸體現出CAE軟件對制造業的重要性。在這一時期，得益于政策上的許可，科研結構或產品設計部門都紛紛引進商業CAE軟件，逐漸拋棄了操作“原始”的行業專用程序，這一時期又是老一輩科研人員陸續退休的時期，原有程序的開發與維護后繼乏人，也促進了國產CAE軟件的退場。而這一時期則是國外CAE軟件的成長壯大期，在市場營銷上依靠國內代理商或經銷商向企業用戶推廣產品，另一方面又采用“盜版傾銷”戰略與向高校提供免費教育版本的方式，在軟件新版本剛推出不久便能將軟件的最新版本送到個人用戶手中，普及了軟件使用操作方法，就這樣多種因素促使了國外CAE軟件迅速占領幾乎整個國內CAE市場。這一時期體制外的CAE從業人員主要從事國外商業CAE軟件的銷售、培訓、咨詢、二次開發等工作，幾乎沒有人從事CAE軟件開發工作。可以說，國內CAE軟件自主開發曾止步于1990年代中初期，到今天為止，國內自主CAE軟件的最高水平差不多落后三十年。

2000年代中期至現在的十年間為國內CAE軟件商業化運作萌芽期。國外商業CAE軟件經過十多年在中國市場的開拓，基本上占領了國內絕大部分CAE市場，涉及各個行業領域。當然，國外商業軟件功能再強大，也不可能完全滿足國內生產、制造、建設中遇到的所有仿真需求，這逐步促生了CAE軟件定制化開發服務，開啟了國內CAE軟件的市場化道路。從市場化進程而言，相比國外1960年代中期開始成立商業化CAE公司，我國商業化CAE軟件開發要落后四、五十年。

圖2國內外CAE發展階段對比

最近十多年來，國外CAE公司進入前所未有的大整合時期，主要精力在橫向擴展，在技術深度上發展緩慢。這是我國自主CAE軟件發展千載難逢的極好機遇，抓住這次機遇定會縮短差距甚至實現超越。

國內外CAE軟件的差距分析

以有限元方法為主的CAE技術就是為工程問題的數值模擬分析而提出的，自誕生之日起就一直服務于工程問題的，具有很強的工程應用背景。但是，由于歷史上體制的原因，國內外CAE技術的發展走了不同的道路。國內在計劃體制年代，為促進各行業發展，各行業基本都成立有獨立的研究院所(如航空企業基本是一廠一所的模式，航天企業也基本都是廠、所結合模式)，以解決本行業工業生產中遇到的各類問題，研究成果直接服務于本行業生產，研究經費是國家投入的，因此對于本行業的服務也都是無償的，在一定時期、一定程度上極大地推動了國內生產制造業的發展，“兩彈一星”更是全國上下一盤棋，基本上白手起家圍繞具體的工程需求發展了相關數值計算理論、編寫了相關數值計算程序，解決了不計其數的工程問題，取得了舉世矚目的成就。

這種模式可以說基本延續到1990年代中初期，這個時期的主要特點是技術研究與工程設計不分開，技術研究成果直接服務于工程設計，可以說每一個研究員都兼任著工程師的職能，在工程中遇到的技術問題直接反饋給研究人員，為解決具體問題，研究人員從建立理論模型、離散方程、編寫計算程序直至通過眾多情形的計算機模擬、分析，最終提出解決問題的方案，都是研究人員完成的。這好比是機器上需要擰個螺絲，于是單獨成立一個小組設計、制造一個扳手來把螺絲擰上，顯然是兩個過程合二為一了。

這種模式在取得巨大成就的同時，也無意中筑起了行業之間在計算機數值模擬方面巨大的技術壁壘。計算程序基本都是行業內部解決具體問題專用的，甚至行業內部本身都沒有把專用計算程序整合成行業內部通用程序，行業之間更無從談起計算程序的適用性。

雖然在計劃體制時代計算機數值模擬為工業的生產制造發揮了巨大作用，但計算機數值模擬的發展卻一直伴隨著體制內“重硬輕軟”的普遍觀念，相關科研項目經費少得可憐，最大的經費開支就是計算機和打印機。甚至普遍觀念的是，做數值計算基本不需要科研經費。

國外商用CAE的進入，從兩個維度上，改變了中國的規則

1990年代初期國外商用CAE軟件進入國內市場后，極大地擴展了計算機數值模擬相關項目科研經費的使用空間，申請項目也可以名正言順地“索要高價”了，可以說，國外商用計算分析軟件(包括CAE軟件)進入國內市場為國內數值模擬研究項目開啟了新的篇章。在經費方面，縮短了“軟、硬”之間的差距，無形中提升了“軟”項目的重要程度;在使用方面，國外商用軟件有非常方便的圖形化前后處理界面，，解決問題的時間從以年為單位，縮短到以月和周為單位，大大提高效率。可以說，數值模擬研究，從刀耕火種的“農業時代”進入到了機械化作業的“工業時代”。

另一方面，國外商用CAE軟件的大量使用，逐步減輕了工業設計部門對科研院所的依賴，更多的工作由設計部門的分析工程師承擔了仿真分析職能。然而，也正是因為國外商用CAE軟件的大量使用，使得科研院所在CAE理論、算法、程序設計與實現等等當時并不落后的諸多方面逐步弱化，甚至逐漸失去了造血能力，致使國內CAE技術停滯不前出現了十年沉寂期。直至現在，眾多高校本該教授有限元理論與技術以及編程的課程無一例外地都捆綁了一個具體的國外CAE軟件名稱，變成了“有限元理論與××軟件”。老師只需要蜻蜓點水般對有限元理論稍加介紹，利用大量課時教會學生使用某個CAE軟件，學生則只需利用該CAE軟件完成一個大作業即可完成課程學習。

國產CAE再次挺進大別山

國內自主CAE領域市場化進程，始于2000年代中期，主要面向國外商業CAE軟件覆蓋不到的邊緣領域，多以定制化服務為主，鑒于國外CAE軟件的強大實力，鮮有以自主CAE軟件開發為主要目標的公司，近年來也有公司融得部分風投資金開發自主CAE軟件產品，但迫于急于掙快錢的風投壓力不得不依賴大量服務項目獲取盈利，致使產品研發進展緩慢。近十年來國內自主CAE軟件的市場化道路并不順利，基本上屬于小打小鬧成不了氣候，即使有自主CAE軟件產品，其水平與功能也未必能超過國外1980年代初期的產品。

中國CAE的主要差距，不完全在技術本身，而在于將其從科學計算程序，轉向軟件工程。從分散在各行業內部的CAE相關程序的水平看，差距有二三十年;但如果從CAE軟件的商業化進程看，我們的差距至少有四十年，還達不到國外1980年代的水平，而且還存在被逐漸拉大的勢頭。形成這種局面的主要原因，除了國外CAE軟件實力強大無法抗衡外，還存在以下幾方面內因：

1.缺乏資金支持

公司多為個人籌資建立，資金有限，一般只能維持一到兩年運行，因此必須依靠承接相關項目以獲得經費支持;

2.無力潛心研發

公司依靠承接項目維持運營直接導致開發人員疲于應付項目而無暇顧及產品持續研發;

3.技術積累單薄

研發團隊技術積累有限，多為研發人員在工作中或讀學位期間自己編寫的相關程序，功能單一并且不系統，可利用價值很低，基本上是零起點開發;

4.缺乏成果轉化

國內積累下來的較為系統的行業CAE程序集中在各類科研院所內部，CAE開發團隊因為政策與資金兩重原因而無法獲得科研院所的CAE程序成果轉化，更加降低了國內自主CAE開發的起點;

5.程序員工資低

資金缺乏導致開發人員工資待遇較低，在互聯網軟件、游戲、移動APP開發人員高工資的沖擊下，很難留住高水平開發人員從事CAE軟件開發;

6.人才流失海外

國外CAE軟件公司中，有為數不少的大陸華人從事CAE軟件開發工作，同時也有很多國外CAE軟件公司在大陸成立研發中心，直接聘用國內CAE求解器及前后處理器研發人員;

7.尚未得到重視

買得到、有的用的事實迷惑了人們視線，沒有什么比花錢拿來用更簡單的事情了，從而導致忽視了其重要性。另外，CAE軟件本質是科學計算，表象是軟件，應用領域在工業，也導致上屬主管主抓關系沒有很好理順，近乎三不管地帶;

8.應用生態缺失

國產商業CAE軟件市場占有率極低，導致國產CAE軟件極度缺乏市場應用評估反饋，成長過程中得不到市場的促進，也就是應用生態建立不起來，缺乏客戶應用的反饋意見。

那么，如何填補我國自主可控CAE軟件空白，在“智能制造”、“兩化深度融合”、“工業互聯網”轟轟烈烈蓬勃發展的大潮中，尋找工業仿真軟件的發展之路?。

國內CAE軟件發展的可行途徑

專家指出，商業化開發是軟件生命力的重要保證，國外CAE軟件的發展也證實了商業化開發是促進軟件開發良性循環的最佳途徑，可以突破行業壁壘，將共性技術廣泛應用到眾多行業，減少低水平重復與內耗，另外，商業化開發可以有效實現可持續開發，不因人員流動而影響軟件的發展。

國外CAE軟件都是依靠長期技術積累發展起來的，除了本公司的技術積累，企業并購也是技術積累的重要組成。細數國際上具有一定市場競爭力的CAE軟件，都有幾十年的歷史，沒有一個新興企業做出功能完善、分析結果可靠的CAE軟件產品，可從一個側面說明CAE軟件開發道路漫長、路途艱辛。CAE軟件開發沒有長期的技術積累，無論是“彎道超車”或是“換道超車”都幾乎是不可能的。如果說有捷徑可走，那只能是站在前人肩上，將散列在各行業研究院所、高校中三十年前并不落后的各種工程分析計算程序進行成果轉化，在此基礎上消化吸收、篩選整合、改寫重構，短期內將原有基礎扎實利用起來，然后逐步補齊短板向國際知名CAE軟件看齊。

國外CAE軟件的成長壯大基離不開政府的長期扶持。CAE軟件具有極其重要的戰略地位，因此受到國家層面的極大重視，如美國政府通過國家戰略投資計劃投資了眾多科學計算基礎設施，實施了大量產業培育舉措，這是CAE產業最早在美國得到蓬勃發展的一個重要因素。在國家戰略層面，美國也確實是把科學計算和建模仿真作為服務于國家利益的關鍵技術，從未停止過投資。

國外CAE軟件也是在企業的伴生下成長起來的。美國工業軟件的巨大成功，離不開工業巨頭的撫養，也得益于其知識產權的轉換機制(成果轉化)。美國CAE軟件巨頭MSC在1971年獲得了美國國家航空航天局(NASA)Nastran程序的開發授權，并對Nastran改良后推出了MSC?Nastran，成為美國仿真軟件的鼻祖，并作為NASA的主要供應商一路迅猛發展，奠定了行業龍頭位置。ANSYS作為美國CAE軟件的另一個巨頭，其發展則得到了美國西屋電器的“深情支持”。

總結為一句話，在政府扶持、企業伴生下，矢志不移長期潛心研發，通過商業化運維，在市場哺育下發展是CAE軟件成長壯大的成功之路。

為加快我國CAE軟件快速發展，其它領域的發展經驗值得借鑒，二十一世紀以來，我國在高鐵、航母、計算機操作系統等方面取得了快速發展，為國產CAE的發展提供了很好的范式：

1、高鐵模式

高鐵的核心技術并不是我們的原始創新，但是根據我們地域廣闊、東西、南北跨度巨大的現狀，解決了東北與西北的高寒、南部的濕熱、西北的高海拔以及沙漠戈壁風沙等嚴酷環境的適應問題，在很短的時間內使我國的高鐵技術成為國際上最先進的高速鐵路技術。對于CAE軟件而言，出資并購國外CAE軟件開發公司，引進關鍵技術，消化吸收轉化為自主可控技術，以高起點參與市場競爭，不失為一條可行之路。

2、航母模式

我國第一艘航空母艦“遼寧艦”改建于蘇聯未建造完成的“瓦良格”號，實現了我國航母零的突破。“瓦良格”號設計定型于1982年。中國在2002年3月將“瓦良格”號拖至大連港。之后，歷經近十年的改裝與建造，2012年遼寧號正式服役。

在1980年代我國CAE自主開發應用的鼎盛時期，各高校、研究院所積累了許多很有價值的自主開發或從國外引進的CAE分析源程序，如SAP5、Dyna2D、Dyna3D等，這些程序在國外商業CAE軟件形成壟斷之前曾經發揮過巨大作用，雖然看似年代久遠了一點，但CAE求解器本身就應該靠不斷積累而發展的，重新開發也不能跨越這些源程序形成的基礎，將這些代碼消化吸收、改進重構快速形成自主CAE求解器的雛形，在此基礎之上逐步開發補充功能模塊，縮短與國外CAE軟件的差距，這無疑又是可行捷徑之一。

3、操作系統模式

基于開源的Linux操作系統，通過消化吸收，根據實際需求與國內用戶特點，注重系統的安全性能，定制研發了自主可控的國產操作系統：麒麟。如新近完成首次中修改造的遠望5號船上信息設備基本實現國產化，麒麟操作系統得到廣泛應用。

目前互聯網上有許多開源的CAE軟件求解器，其中不乏優秀的開源CAE求解器，對于技術積累比較薄弱的國內CAE軟件開發狀況，在開源CAE軟件基礎上進行消化吸收并加以利用不失為一種可行之策。但是必須在開源協議許可的框架下進行，如果進行商業化還必須付出一定費用。如果真正消化吸收并轉化重構為自主產品需要投入大量精力，另外，開源軟件畢竟與商業軟件尚有一定差距，也很難短期內形成競爭力。但作為長期的人才培養，和解決局部問題的努力，仍然非常具有價值。

對于國產自主可控CAE軟件而言，三種模式相比較航母模式代價較小收效更大，不失為上上之策。

“有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦關終屬楚;苦心人，天不負，臥薪嘗膽，三千越甲可吞吳”。國家政策方面已逐步開始重視工業軟件的開發，許多“數值水池”、“數值風洞”等大型工業軟件開發項目也紛紛啟動，民間資金也在躍躍欲試，工業軟件正在面臨著一個大好的局面，打破工業仿真模擬軟件“無可替代”的窘迫局面，或許可以重新期待。