8 仿真国内外CAE软件的差距及自主路

学问自动化
2018-12-21原文
CAE是“智能制造”、“工业互联网”、“数字孪生”等新理念的基础，在工业制造中的作用无可替代。

国外CAE软件进展的三个阶段
从上世纪60年月初在工程上开头使用到今日，CAE已经经受了50多年的进展历史。

在1990年月中期便构成了包含众多单元类型、材料模型及分析功能丰富的软件产品，并且经过了大量工程使用考核和专业机构认证，大型通用商业软件的进展达到顶峰，也正是在这个时期，国外CAE软件开头大举进入我国市场。

此后十年，到2000年月中期，随着无限元理论与算法日臻成熟，数值计算新方法新理论并没有新的突破，一些关键的CAE软件技术难点也没有太多进步，如ANSYS软件最终还是通过并购，才处理热力耦合问题的分析求解。

但是，国外商业CAE软件在功能上已基本满足现有工业设计的需求，因此，这一时期求解器技术上的进展并不格外突出，国外CAE软件的进展基本上处于巩固完善和拓展市场阶段。

最近十年，CAE 市场进入了疯狂并购阶段。

依据《学问自动化》的统计，近二十年来仅ANSYS、MSC、达索、ESI和西门子这五家厂商就并购了100多家软件企业，其中30多起并购大事发生在最近三年内，可以说CAE近十年来的进展基本上就是买买买（国外仿真软件的鲨鱼进化史）。

在分析力量上并没有太多新成就，技术水平提升缓慢，该当说软件的分析力量进展不超过20%。

概括而言，国外CAE软件进展可分为三个时期，1990年月中期以前为进展期，该时期次要以软件技术提升与功能拓展为主；1990年月中期至
2000年月中期为壮大期，这一时期次要以拓展市场为主、功能提升为辅；2000年月中期至现在的十年间为成熟期，各大CAE厂商忙于并购与重组，重新整合市场，在技术上以通过并购实现横向扩展为主，纵向提升缓慢，技术力量处于平台期，软件的进展由核心技术进展转向概念创新进展。

图1 四大CAE巨头的并购与进展断代
（来源：学问自动化）
国内CAE软件的进展与现状
国内无限元软件开发起步并不晚，基本上从1970年月就开头专有程序的研制。

近40年来，我国在CAE理论争辩和软件自主开发方面的努力一直没有停止过，也有一些拥有自主学问产权的软件系统脱颖而出，如大连理工高校开发的JIGFEX、中国飞机强度争辩所开发的HAJIF、中国科学院数学与系统科学争辩所开发的FEPG、郑州机械争辩所开发的紫瑞CAE、航空工业总公司开发的APOLANS、北京高校力学与工程科学系在美国SAP软件源码基础上开发的SAP84等等，这些软件在1990年月中期其分析力量达到了肯定水平，甚至在某些方面并不亚于国外同类产品，但后来在国外产品的挤压下渐渐凋谢。

正犹如国外CAE软件的进展一样，国内CAE软件也同样经受了三个时期的进展，在时间上也格外全都。

1990年月中期以前为技术进展期，该时期次要以算法理论及程序编制与提升计算功能为主，严格意义上说还不能称之为软件，只是科研院所为处理科研问题或产品设计中遇到的需要通过计算机模仿的相关技术问题而编写的数值计算程序，只要参与编写程序的相关课题组人员才能娴熟使用。

它属于专家科研程序，非一般工程师所能把握。

这一时期国内有些行业的数值计算程序在某些方面甚至超过了国外商用软件的水平。

1990年月中期至2000年月中期可以说是国内CAE软件的安静期。

在这一时期，国外商业CAE软件进入稳定的商业化运作期。

其软件已不具备明显的行业特性，愈加突出了软件的专业特性，使得无论是科研机构的科研人员还是工业设计部门的工程师都能够很便捷地借助国外商业CAE软件快速完成课题争辩或产品设计，也正是在这一时期，CAE软件被广泛使用在配备和产品的研制过程中，渐渐体现出CAE软件对制造业的重要性。

在这一时期，得益于政策上的许可，科研结构或产品设计部门都纷纷引进商业CAE软件，渐渐抛弃了操作“原始”的行业公用程序，这一时期又是老一辈
科研人员间续退休的时期，原有程序的开发与维护后继乏人，也促进了国产CAE软件的退场。

而这一时期则是国外CAE软件的成长壮大期，在市场营销上依靠国内代理商或经销商向企业用户推广产品，另一方面又接受“盗版倾销”战略与向高校供应免费训练版本的方式，在软件新版本刚推出不久便能将软件的最新版本送到个人用户手中，普及了软件使用操作方法，就这样多种要素促使了国外CAE软件快速占据几乎整个国内CAE市场。

这一时期体制外的CAE从业人员次要从事国外商业CAE软件的销售、培训、询问、二次开发等工作，几乎没有人从事CAE软件开发工作。

可以说，国内CAE软件自主开发曾止步于1990年月中初期，到今日为止，国内自主CAE软件的最高水平差不多落后三十年。

2000年月中期至现在的十年间为国内CAE软件商业化运作萌芽期。

国外商业CAE软件经过十多年在中国市场的开辟，基本上占据了国内绝大部分CAE市场，涉及各个行业领域。

当然，国外商业软件功能再强大，也不行能完全满足国内生产、制造、建设中遇到的全部仿真需求，这逐渐促生了CAE软件定制化开发服务，开启了国内CAE软件的市场化道路。

从市场化进程而言，相比国外1960年月中期开头成立商业化CAE公司，我国商业化CAE软件开发要落后四、五十年。

图2 国内外CAE进展阶段对比
最近十多年来，国外CAE公司进入史无前例的大整合时期，次要精力在横向扩展，在技术深度上进展缓慢。

这是我国自主CAE软件进展千载难逢的极好机遇，抓住这次机遇定会缩短差距甚至实现超越。

国内外CAE软件的差距分析
以无限元方法为主的CAE技术就是为工程问题的数值模仿分析而提出的，自诞生之日起就一直服务于工程问题的，具有很强的工程使用背景。

但是，由于历史上体制的缘由，国内外CAE技术的进展走了不同的道路。

国内在方案体制年月，为促进各行业进展，各行业基本都成立有独立的争辩院所（如航空企业基本是一厂一所的模式，航天企业也基本都是厂、所结合模式），以处理本行业工业生产中遇到的各类问题，争辩成果直接服务于本行业生产，争辩经费是国家投入的，因此对于本行业的服务也都是无偿的，在肯定时期、肯定程度上极大地推动了国内生产制造业的进展，“两弹一星”更是全国上下一盘棋，基本上白手起家围绕具体的工程需求进展了相关数值计算理论、编写了相关数值计算程序，处理了不计其数的工程问题，取得了举世注目的成就。

这种模式可以说基本连续到1990年月中初期，这个时期的次要特点是技术争辩与工程设计不分开，技术争辩成果直接服务于工程设计，可以说每一个争辩员都兼任着工程师的职能，在工程中遇到的技术问题直接反馈给争辩人员，为处理具体问题，争辩人员从建立理论模型、离散方程、编写计算程序直至通过众多情形的计算机模仿、分析，最终提出处理问题的方案，都是争辩人员完成的。

这好比是机器上需要拧个螺丝，于是单独成立一个小组设计、制造一个扳手来把螺丝拧上，明显是两个过程合二为一了。

这种模式在取得巨大成就的同时，也无意中筑起了行业之间在计算机数值模仿方面巨大的技术壁垒。

计算程序基本都是行业内部处理具体问题公用的，甚至行业内部本身都没有把公用计算程序整合成行业内部通用程序，行业之间更无从谈起计算程序的适用性。

虽然在方案体制时代计算机数值模仿为工业的生产制造发挥了巨大作用，但计算机数值模仿的进展却一直伴随着体制内“重硬轻软”的普遍观念，相关科研项目经费少得可怜，最大的经费开支就是计算机和打印机。

甚至普遍观念的是，做数值计算基本不需要科研经费。

国外商用CAE的进入，从两个维度上，转变了中国的规章。

1990年月初期国外商用CAE软件进入国内市场后，极大地扩展了计算机数值模仿相关项目科研经费的使用空间，申请项目也可以名正言顺地“索要高价”了，可以说，国外商用计算分析软件（包括CAE软件）进入国内市场为国内数值模仿争辩项目开启了新的篇章。

在经费方面，缩短了“软、硬”之间的差距，无形中提升了“软”项目的重要程度；在使用方面，国外商用软件有格外便利的图形化前后处理界面，，处理问题的时间从以年为单位，缩短到以月和周为单位，大大提高效率。

可以说，数值模仿争辩，从刀耕火种的“农业时代”进入到了机械化作业的“工业时代”。

另一方面，国外商用CAE软件的大量使用，逐渐减轻了工业设计部门对科研院所的依靠，更多的工作由设计部门的分析工程师担当了仿真分析职能。

然而，也正是由于国外商用CAE软件的大量使用，使得科研院所在CAE理论、算法、程序设计与实现等等当时并不落后的诸多方面逐渐弱化，甚至渐渐得到了造血力量，致使国内CAE技术停滞不前消灭了十年安静期。

直至现在，众多高校本该教授无限元理论与技术以及编程的课程无一例外地都捆绑了一个具体的国外CAE软件名称，变成了“无限元理论与××软件”。

老师只需要蜻蜓点水般对无限元理论稍加引见，利用大量课时教会同学使用某个CAE软件，同学则只需利用该CAE软件完成一个大作业即可完成课程学习。

国产CAE再次挺进大别山
国内自主CAE领域市场化进程，始于2000年月中期，次要面对国外商业CAE软件掩盖不到的边缘领域，多以定制化服务为主，鉴于国外CAE软件的强大实力，鲜有以自主CAE软件开发为次要目标的公司，近年来也有公司融得部分风投资金开发自主CAE软件产品，但迫于急于挣快钱的风投压力不得不依靠大量服务项目猎取盈利，致使产品研发进展缓慢。

近十年来国内自主CAE软件的市场化道路并不顺当，基本上属于小打小闹成不了气候，即便有自主CAE软件产品，其水平与功能也未必能超过国外1980年月初期的产品。

中国CAE的次要差距，不完全在技术本身，而在于将其从科学计算程序，转向软件工程。

从分散在各行业内部的CAE相关程序的水平看，差距有二三十年；但假如从CAE软件的商业化进程看，我们的差距至少有四十年，还达不到国外1980年月的水平，而且还存在被渐渐拉大的势头。

构成这种局面的次要缘由，除了国外CAE软件实力强大无法抗衡外，还存在以下几方面内因：
缺乏资金支持
公司多为个人筹资建立，资金无限，一般只能维持一到两年运转，因此必需依靠承接相关项目以获得经费支持；
无力潜心研发
公司依靠承接项目维持运营直接导致开发人员疲于应付项目而无暇顾及产品持续研发；
技术积累单薄。

研发团队技术积累无限，多为研发人员在工作中或读学位期间本人编写的相关程序，功能单一并且不系统，可利用价值很低，基本上是零起点开发；
缺乏成果转化
国内积累下来的较为系统的行业CAE程序集中在各类科研院所内部，CAE 开发团队由于政策与资金两重缘由而无法获得科研院所的CAE程序成果转化，愈加降低了国内自主CAE开发的起点；
程序员工资低
资金缺乏导致开发人员工资待遇较低，在互联网软件、玩耍、移动APP开发人员高工资的冲击下，很难留住高水平开发人员从事CAE软件开发；
人才流失海外
国外CAE软件公司中，无为数不少的大陆华人从事CAE软件开发工作，同时也有很多国外CAE软件公司在大陆成立研发中心，直接聘用国内CAE 求解器及前后处理器研发人员；
尚未得到注重
买得到、有的用的现实迷惑了人们视线，没有什么比花钱拿来用更简约的事情了，从而导致忽视了其重要性。

另外，CAE软件本质是科学计算，表象是软件，使用领域在工业，也导致上属主管主抓关系没有很好理顺，近乎三不管地带；
使用生态缺失
国产商业CAE软件市场占有率极低，导致国产CAE软件极度缺乏市场使用评估反馈，成长过程中得不到市场的促进，也就是使用生态建立不起来，缺乏客户使用的反馈意见。

那么，如何填补我国自主可控CAE软件空白，在“智能制造”、“两化深度融合”、“工业互联网”轰轰烈烈蓬勃进展的大潮中，查找工业仿真软件的进展之路？。

国内CAE软件进展的可行途径
专家指出，商业化开发是软件生命力的重要保证，国外CAE软件的进展也证明白商业化开发是促进软件开发良性循环的最佳途径，可以突破行业壁垒，将共性技术广泛使用到众多行业，削减低水平反复与内耗，另外，商业化开发可以无效实现可持续开发，不因人员流淌而影响软件的进展。

国外CAE软件都是依靠长期技术积累进展起来的，除了本公司的技术积累，企业并购也是技术积累的重要组成。

细数国际上具有肯定市场竞争力的CAE软件，都有几十年的历史，没有一个新兴企业做出功能完善、分析结果牢靠的CAE软件产品，可从一个侧面说明CAE软件开发道路漫长、路途艰苦。

CAE软件开发没有长期的技术积累，无论是“弯道超车”或是“换道超车”都几乎是不行能的。

假如说有捷径可走，那只能是站在前人肩上，将散列在各行业争辩院所、高校中三十年前并不落后的各种工程分析计算程序进行成果转化，在此基础上消化吸取、筛选整合、改写重构，短期内将原有基础扎实利用起来，然后逐渐补齐短板向国际知名CAE软件看齐。

国外CAE软件的成长壮大基离不开政府的长期扶持。

CAE软件具有极其重要的战略地位，因此遭到国家层面的极大注重，如美国政府通过国家战略投资方案投资了众多科学计算基础设备，实施了大量产业培育举措，这是CAE产业最早在美国得到蓬勃进展的一个重要要素。

在国家战略层面，美
国也的确是把科学计算和建仿照真作为服务于国家利益的关键技术，从未停止过投资。

国外CAE软件也是在企业的伴生下成长起来的。

美国工业软件的巨大成功，离不开工业巨头的抚养，也得益于其学问产权的转换机制（成果转化）。

美国CAE软件巨头MSC在1971年获得了美国国家航空航天局（NASA）Nastran程序的开发授权，并对Nastran改良后推出了MSC•Nastran，成为美国仿真软件的鼻祖，并作为NASA的次要供应商一路迅猛进展，奠定了行业龙头位置。

ANSYS作为美国CAE软件的另一个巨头，其进展则得到了美国西屋电器的“深情支持”。

总结为一句话，在政府扶持、企业伴生下，矢志不移长期潜心研发，通过商业化运维，在市场培育下进展是CAE软件成长壮大的成功之路。

为加快我国CAE软件快速进展，其它领域的进展阅历值得自创，二十一世纪以来，我国在高铁、航母、计算机操作系统等方面取得了快速进展，为国产CAE的进展供应了很好的范式：
1、高铁模式
高铁的核心技术并不是我们的原始创新，但是依据我们地域宽敞、东西、南北跨度巨大的现状，处理了东北与西北的高寒、南部的湿热、西北的高海拔以及沙漠戈壁风沙等严酷环境的顺应问题，在很短的时间内使我国的高铁技术成为国际上最先进的高速铁路技术。

对于CAE软件而言，出资并购国外CAE软件开发公司，引进关键技术，消化吸取转化为自主可控技术，以高起点参与市场竞争，不失为一条可行之路。

2、航母模式
我国第一艘航空母舰“辽宁舰”改建于苏联未建筑完成的“瓦良格”号，实现了我国航母零的突破。

“瓦良格”号设计定型于1982年。

中国在2002年3月将“瓦良格”号拖至大连港。

之后，历经近十年的改装与建筑，2012年辽宁号正式服役。

在1980年月我国CAE自主开发使用的鼎盛时期，各高校、争辩院所积累了很多很有价值的自主开发或从国外引进的CAE分析源程序，如SAP5、Dyna2D、Dyna3D等，这些程序在国外商业CAE软件构成垄断之前已经发挥过巨大作用，虽然看似年月久远了一点，但CAE求解器本身就该当靠不断积累而进展的，重新开发也不能跨越这些源程序构成的基础，将这些代码消化吸取、改进重构快速构成自主CAE求解器的雏形，在此基础之上逐渐开发补充功能模块，缩短与国外CAE软件的差距，这无疑又是可行捷径之一。

3、操作系统模式
基于开源的Linux操作系统，通过消化吸取，依据实际需求与国内用户特点，留意系统的平安功能，定制研发了自主可控的国产操作系统：麒麟。

如新近完成初次中修改造的远望5号船上信息设备基本实现国产化，麒麟操作系统得到广泛使用。

目前互联网上有很多开源的CAE软件求解器，其中不乏优秀的开源CAE 求解器，对于技术积累比较薄弱的国内CAE软件开发情况，在开源CAE 软件基础上进行消化吸取并加以利用不失为一种可行之策。

但是必需在开源协议许可的框架下进行，假如进行商业化还必需付出肯定费用。

假如真正消化吸取并转化重构为自主产品需要投入大量精力，另外，开源软件到底与商业软件尚有肯定差距，也很难短期内构成竞争力。

但作为长期的人才培育，和处理局部问题的努力，仍旧格外具有价值。

引子：火种起于航天
1961年，急于扭转太空领域落后于苏联的局面，大胆地选择登月方案的肯尼迪总统，独排众议，永世地转变了美国的航天面貌。

这是人类最危
急、最简单的一次探究任务，美国航空航天局NASA担当重担。

为了处理宇航工业对于结构分析的迫切需求，NASA在1966年提出了进展世界上第一套泛用型的无限元分析软件Nastran的方案，像天界盗火一般，从今点亮了人类探究数字世界的征程。

可以说，仿真一开头，就是伴随着人类最宏大的制造工程而生。

从今，颠覆性重生，破坏性并购，伴随了50多年的仿真软件CAE的进展史。

第一个嗜血鲨鱼：MSC
MSC.Software创建于1963年，它是NASA的宠儿。

MSC参与了NASA整个Nastran程序的开发过程。

1969年NASA推出了其第一个版本，之后MSC连续改良并在1971年推出MSC.Nastran。

吃着皇粮，直接商业化的结果，MSC一路进展快速，快速奠定行业先锋的位置。

然而MSC的长大，却是靠着一路血口大开的并购之路。

从1989年开头到2016年的20多年中，MSC软件一共兼并和重组了10余家公司。

1989年MSC通过兼并荷兰PISCES而进入高度非线性分析市场；1998年MSC又兼并2D和3D运动学仿真软件的开发者Knowledge Revolution公司。

对MSC而言，最具有里程碑意义的时间是1999年。

原来在NASA的支持下，还有另外两个小公司（UAI和CSAR）分别在NASA的版本上，扩展出本人的商业软件。

统一江湖，是每一个领头羊会想的事情吧。

坚决的MSC在1999年收购了这两家小而美的公司，同时还一口气吃掉了第一个商业非线性无限元程序MARC。

从今，MSC成为市场上唯逐一家供应Nastran商业代码的供应商。

一时骄奢无边，执无限元分析牛耳。

2002年，MSC以1.2亿美元收购世界有名虚拟样机仿真软件MDI公司。

其中最大的瑰宝，就是大名鼎鼎的机械系统运动学、动力学仿真分
析软件ADAMS被收入囊中，这成为MSC分析体系中一个重要的组成部分。

工业软件离不开工业巨头的抚养。

诞生于波音公司的Easy5，最早原来是为军方开发使用，随后由波音公司完成了商业化。

这几乎是一个飞机工程师的学问宝库。

它由各学科领域富有阅历的工程师和数值计算专家，从飞机设计过程中实战而来的数据库。

经过近30年的不断积累和大量工程问题的检验，已经成为独一无二的把握与多学科动态系统仿真分析工具，可谓波音公司工程仿真阅历的结晶。

就在2002年， MSC公司收购Easy5，并在随后升级为Windows版本。

甲方和乙方的角色，可以如此轻松地切换。

真是令人艳羡的学问流淌机制。

这是MSC最风光的黄金年月。

好花不长，受全球金融风暴的持续影响，MSC软件的业绩开头下滑，2009年被一家投资集团看重并收购后变为私人公司退出股票市场。

这在美国，也是经常发生的事情，软件公司会被投资者并购然后坐地等着沽价而售。

从2010年开头，MSC进行困难转型，方案从产品到策略都进行调整。

虽然换了仆人，但并购却并未停止。

2011年和2012年，MSC分别收购了比利时有名的声学软件公司FFT（自在声场技术）公司和高端材料仿真领域厂商e-Xstream，2016年MSC软件公司收购焊接与成型仿真领军企业Simufact。

然而在纯资本的东家手里，MSC好像迷失了方向。

或者这原来就是投资家的策略。

因此，它的再次更换东家，是迟早的事情。

图1 MSC经受的鲨鱼吃鲨鱼
果真，2017年，这条嗜血的鲨鱼，被一个做计量的瑞典硬件大汉以区区8亿美元，一口吃掉。

作为世界十大原创软件公司之一，MSC软件是全球多学科仿真模仿领域的领导者，技术也好，口碑不差。

而命数，却出人预料。

老大哥也要补血
作为老牌的仿真企业ANSYS，现在照旧是仿真领域最为成功的巨头之一。

仿真公司的源头，往往都有一个执着的工程师科学家。

ANSYS的故事，也是从天才工程师开头。

John Swanson博士早年在西屋工作的时候，就创立了一套无限元分析程序。

1969年，Swanson创立ANSYS 的前身。

又见美国创业精神，这也是一家车库创业的公司；又见美国轨迹，软件背后都有用户的“深情支持”。

这次支持Swanson一个私营企业进展的，是美国西屋核电公司。

这种深情支持，是国内用户对国产工业软件之间，最为缺乏的一种关怀。

出于简单的缘由，中国的用户与软件供应商的关系，从来就是一个大户地主挑媳妇的形态。

这种单纯的“甲方乙方”合同关系，而非战略共生的规律，正是中国工业软件进展的一直不能愈合的内伤。

不同于MSC、UGS的仿真源于NASA，ANSYS是从服务于西屋核电动身而构成一个仿真流派。

而到了1994年，为了让仿真软件企业做大，Swanson做出了最不行思议的举动，他让出CEO位置和股票，公司也转成为当下的ANSYS公司。

自2000年开头，ANSYS进行了一系列收购，包括：ICEM CFD Engineering、法国的CADOE。

这为仿真软件的快速进展，打下了良好的基础。

2003年，ANSYS公司出资2100万美元收购AEA公司的CFX软件业务。

后者绝非等闲之辈，这可是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，一开头就是诞生在工业使用背景中。

是英国工程科技。