我國的CAE軟體到底差在哪裡？
【編者按】
CAE全稱為Computer Aided Engineering，指的是工程設計中的計算機輔助工程，指用計算機輔助求解分析複雜工程和產品的結構力學效能，以及優化結構效能等，把工程（生產）的各個環節有機地組織起來，其關鍵就是將有關的資訊整合，使其產生並存在於工程（產品）的整個生命週期。
CAE是“智慧製造”、“工業網際網路”、“數字孿生”等新理念的基礎，在工業製造中的作用無可替代。
本文出自知識自動化，原作者為張雲龍、林雪萍。
國外CAE軟體發展的三個階段
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型別、材料模型及分析功能豐富的軟體產品，並且經過了大量工程應用考核和專業機構認證，大型通用商業軟體的發展達到頂峰，也正是在這個時期，國外CAE軟體開始大舉進入我國市場。此後十年，到2000年代中期，隨著有限元理論與演算法日臻成熟，數值計算新方法新理論並沒有新的突破，一些關鍵的CAE軟體技術難點也沒有太多進步，如ANSYS軟體最後還是通過併購，才解決熱力耦合問題的分析求解。
但是，國外商業CAE軟體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並不十分突出，國外CAE軟體的發展基本上處於鞏固完善和拓展市場階段。
最近十年，CAE市場進入了瘋狂併購階段。 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併購了100多家軟體企業 ，其中30多起併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（國外模擬軟體的鯊魚進化史）。 在分析能力上並沒有太多新成就，技術水平提升緩慢，應該說軟體的分析能力發展不超過20% 。
概括而言，國外CAE軟體發展可分為三個時期：
1990年代中期以前為發展期，該時期主要以軟體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廠商忙於併購與重組，重新整合市場，在技術上以通過併購實現橫向擴充套件為主，縱向提升緩慢，技術能力處於平臺期，軟體的發展由核心技術發展轉向概念創新發展。
圖1：四大CAE巨頭的併購與發展斷代
（來源：知識自動化）
國內CAE軟體的發展與現狀
國內有限元軟體開發起步並不晚，基本上從1970年代就開始專有程式的研製。近40年來，我國在CAE理論研究和軟體自主開發方面的努力始終沒有停止過，也有一些擁有自主智慧財產權的軟體系統脫穎而出，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軟體原始碼基礎上開發的SAP84等等，這些軟體在1990年代中期其分析能力達到了一定水平，甚至在某些方面並不亞於國外同類產品，但後來在國外產品的擠壓下逐漸凋零。
正如同國外CAE軟體的發展一樣，國內CAE軟體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 ，該時期主要以演算法理論及程式編制與提升計算效能為主，嚴格意義上說還不能稱之為軟體，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式，只有參與編寫程式的相關課題組人員才能熟練使用。它屬於專家科研程式，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式在某些方面甚至超過了國外商用軟體的水平。
1990年代中期至2000年代中期可以說是國內CAE軟體的沉寂期。在這一時期，國外商業CAE軟體進入穩定的商業化運作期。其軟體已不具備明顯的行業特性，更加突出了軟體的專業特性，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藉助國外商業CAE軟體快速完成課題研究或產品設計，也正是在這一時期，CAE軟體被廣泛應用在裝備和產品的研製過程中，逐漸體現出CAE軟體對製造業的重要性。在這一時期，得益於政策上的許可，科研結構或產品設計部門都紛紛引進商業CAE軟體，逐漸拋棄了操作“原始”的行業專用程式，這一時期又是老一輩科研人員陸續退休的時期，原有程式的開發與維護後繼乏人，也促進了國產CAE軟體的退場。而這一時期則是國外CAE軟體的成長壯大期，在市場營銷上依靠國內代理商或經銷商向企業使用者推廣產品，另一方面又採用“盜版傾銷”戰略與向高校提供免費教育版本的方式，在軟體新版本剛推出不久便能將軟體的最新版本送到個人使用者手中，普及了軟體使用操作方法，就這樣多種因素促使了國外CAE軟體迅速佔領幾乎整個國內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軟體的銷售、培訓、諮詢、二次開發等工作，幾乎沒有人從事CAE軟體開發工作。可以說，國內CAE軟體自主開發曾止步於1990年代中初期，到今天為止，國內自主CAE軟體的最高水平差不多落後三十年。
2000年代中期至現在的十年間為國內CAE軟體商業化運作萌芽期。國外商業CAE軟體經過十多年在中國市場的開拓，基本上佔領了國內絕大部分CAE市場，涉及各個行業領域。當然，國外商業軟體功能再強大，也不可能完全滿足國內生產、製造、建設中遇到的所有模擬需求，這逐步促生了CAE軟體定製化開發服務，開啟了國內CAE軟體的市場化道路。從市場化程序而言，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軟體開發要落後四、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，主要精力在橫向擴充套件，在技術深度上發展緩慢。這是我國自主CAE軟體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軟體的差距分析
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於工程問題的，具有很強的工程應用背景。但是，由於歷史上體制的原因，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，研究成果直接服務於本行業生產，研究經費是國家投入的，因此對於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製造業的發展，“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式，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於工程設計，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、編寫計算程式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，於是單獨成立一個小組設計、製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，也無意中築起了行業之間在計算機數值模擬方面巨大的技術壁壘。計算程式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式整合成行業內部通用程式，行業之間更無從談起計算程式的適用性。
雖然在計劃體制時代計算機數值模擬為工業的生產製造發揮了巨大作用，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，相關科研專案經費少得可憐，最大的經費開支就是計算機和印表機。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軟體進入國內市場後，極大地擴充套件了計算機數值模擬相關專案科研經費的使用空間，申請專案也可以名正言順地“索要高價”了，可以說，國外商用計算分析軟體（包括CAE軟體）進入國內市場為國內數值模擬研究專案開啟了新的篇章。在經費方面，縮短了“軟、硬”之間的差距，無形中提升了“軟”專案的重要程度；在使用方面，國外商用軟體有非常方便的圖形化前後處理介面，，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軟體的大量使用，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模擬分析職能。然而，也正是因為國外商用CAE軟體的大量使用，使得科研院所在CAE理論、演算法、程式設計與實現等等當時並不落後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程式設計的課程無一例外地都捆綁了一個具體的國外CAE軟體名稱，變成了“有限元理論與××軟體”。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軟體，學生則只需利用該CAE軟體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領域市場化程序，始於2000年代中期，主要面向國外商業CAE軟體覆蓋不到的邊緣領域，多以定製化服務為主，鑑於國外CAE軟體的強大實力，鮮有以自主CAE軟體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軟體產品，但迫於急於掙快錢的風投壓力不得不依賴大量服務專案獲取盈利，致使產品研發進展緩慢。近十年來國內自主CAE軟體的市場化道路並不順利，基本上屬於小打小鬧成不了氣候，即使有自主CAE軟體產品，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，而在於將其從科學計算程式，轉向軟體工程。從分散在各行業內部的CAE相關程式的水平看，差距有二三十年；但如果從CAE軟體的商業化程序看，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軟體實力強大無法抗衡外，還存在以下幾方面內因：
1、缺乏資金支援
公司多為個人籌資建立，資金有限，一般只能維持一到兩年執行，因此必須依靠承接相關專案以獲得經費支援；
2、無力潛心研發
公司依靠承接專案維持運營直接導致開發人員疲於應付專案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式，功能單一併且不繫統，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程式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程式成果轉化，更加降低了國內自主CAE開發的起點；
5、程式設計師工資低
資金缺乏導致開發人員工資待遇較低，在網際網路軟體、遊戲、移動APP開發人員高工資的衝擊下，很難留住高水平開發人員從事CAE軟體開發；
6、人才流失海外
國外CAE軟體公司中，有為數不少的大陸華人從事CAE軟體開發工作，同時也有很多國外CAE軟體公司在大陸成立研發中心，直接聘用國內CAE求解器及前後處理器研發人員；
7、尚未得到重視
買得到、有的用的事實迷惑了人們視線，沒有什麼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軟體本質是科學計算，表象是軟體，應用領域在工業，也導致上屬主管主抓關係沒有很好理順，近乎三不管地帶；
8、應用生態缺失
國產商業CAE軟體市場佔有率極低，導致國產CAE軟體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。
那麼，如何填補我國自主可控CAE軟體空白，在“智慧製造”、“兩化深度融合”、“工業網際網路”轟轟烈烈蓬勃發展的大潮中，尋找工業模擬軟體的發展之路？。
國內CAE軟體發展的可行途徑
專家指出，商業化開發是軟體生命力的重要保證，國外CAE軟體的發展也證實了商業化開發是促進軟體開發良性迴圈的最佳途徑，可以突破行業壁壘，將共性技術廣泛應用到眾多行業，減少低水平重複與內耗，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體的發展。
國外CAE軟體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，企業併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軟體，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軟體產品，可從一個側面說明CAE軟體開發道路漫長、路途艱辛。CAE軟體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，那隻能是站在前人肩上，將雜湊在各行業研究院所、高校中三十年前並不落後的各種工程分析計算程式進行成果轉化，在此基礎上消化吸收、篩選整合、改寫重構，短期內將原有基礎紮實利用起來，然後逐步補齊短板向國際知名CAE軟體看齊。
國外CAE軟體的成長壯大基離不開政府的長期扶持。CAE軟體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模擬作為服務於國家利益的關鍵技術，從未停止過投資。
國外CAE軟體也是在企業的伴生下成長起來的。美國工業軟體的巨大成功，離不開工業巨頭的撫養，也得益於其智慧財產權的轉換機制（成果轉化）。美國CAE軟體巨頭MSC在1971年獲得了美國國家航空航天局（NASA）Nastran程式的開發授權，並對Nastran改良後推出了MSC•Nastran，成為美國模擬軟體的鼻祖，並作為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軟體的另一個巨頭，其發展則得到了美國西屋電器的“深情支援”。
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軟體成長壯大的成功之路。
為加快我國CAE軟體快速發展，其它領域的發展經驗值得借鑑，二十一世紀以來，我國在高鐵、航母、計算機作業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正規化：
1、高鐵模式
高鐵的核心技術並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、南部的溼熱、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。對於CAE軟體而言，出資併購國外CAE軟體開發公司，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”改建於蘇聯未建造完成的“瓦良格”號，實現了我國航母零的突破。“瓦良格”號設計定型於1982年。中國在2002年3月將“瓦良格”號拖至大連港。之後，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分析源程式，如SAP5、Dyna2D、Dyna3D等，這些程式在國外商業CAE軟體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式形成的基礎，將這些程式碼消化吸收、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組，縮短與國外CAE軟體的差距，這無疑又是可行捷徑之一。
3、作業系統模式
基於開源的Linux作業系統，通過消化吸收，根據實際需求與國內使用者特點，注重系統的安全效能，定製研發了自主可控的國產作業系統：麒麟。如新近完成首次中修改造的遠望5號船上資訊裝置基本實現國產化，麒麟作業系統得到廣泛應用。
目前網際網路上有許多開源的CAE軟體求解器，其中不乏優秀的開源CAE求解器，對於技術積累比較薄弱的國內CAE軟體開發狀況，在開源CAE軟體基礎上進行消化吸收並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。如果真正消化吸收並轉化重構為自主產品需要投入大量精力，另外，開源軟體畢竟與商業軟體尚有一定差距，也很難短期內形成競爭力。但作為長期的人才培養，和解決區域性問題的努力，仍然非常具有價值。
對於國產自主可控CAE軟體而言，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，臥薪嚐膽，三千越甲可吞吳”。國家政策方面已逐步開始重視工業軟體的開發，許多“數值水池”、“數值風洞”等大型工業軟體開發專案也紛紛啟動，民間資金也在躍躍欲試，工業軟體正在面臨著一個大好的局面，打破工業模擬模擬軟體“無可替代”的窘迫局面，或許可以重新期待。
一直以來，技術都是推動商業環境進化的重要因素，而目前最熱的技術升級趨勢，無疑是人工智慧。當下，儘管人工智慧行業本身已經進入了一個平穩的發展期，但它對於各行各業的賦能卻正在以更熱烈的姿態進行。
2018年11月30日上午，億歐將在北京國貿大酒店舉辦“新技術·新動能創新者論壇”，以技術為核心要素，從行業角度出發，探討新技術趨勢下，企業如何把握升級機會、跟上時代節奏，在諸多競爭者中脫穎而出。
詳情及報名連結： ofollow,noindex" target="_blank">https://www.iyiou.com/post/ad/id/730
