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CAE技术简介

计算机辅助工程 （CAE：Computer Aided Engineering）软件系统不仅是衡量国家科学计算水平的标志，是“事关国家竞争力和国家安全的战略技术”[1]。

CAE（计算机辅助工程）是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学基础发展起来的，在制造业和国民经济各领域中具有广泛的应用，是提升企业自主创新能力和国际竞争力的关键技术。

CAE软件模拟示意图

       CAE技术作为一种跨学科的数值模拟分析技术，在各行各业取得了广泛应用。建立具有自主知识产权CAE软件产业，对我国正在构建的以企业为主体的国家创新体系具有十分重要的战略意义。CAE软件的模拟仿真分析能力也已成为与理论研究和物理实验同等重要的研究手段。CAE软件系统可提高装备制造业的自主创新能力，其高端软件历来被国外禁用。建立有自主知识产权的中国CAE软件产业，目的是要生产出能在国际市场上占有一席之地的创新产品，必须要站在我国经济发展创新能力和保障国家安全的战略高度来认识。

       CAE技术的发展过程大体包括四个阶段 [2]：

CAE软件技术发展阶段

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国内外CAE技术发展现状

2.1 国外CAE软件发展的三个阶段

       从上世纪60年代初在工程上开始应用到今天，CAE已经经历了50多年的发展历史。在1990年代中期便形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应用考核和专业机构认证，大型通用商业软件的发展达到顶峰，也正是在这个时期，国外CAE软件开始大举进入我国市场。

       此后十年，到2000年代中期，随着有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软件最后还是通过并购，才解决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发展并不十分突出，国外CAE软件的发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。根据《知识自动化》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多起并购事件发生在最近三年内，可以说CAE近十年来的发展基本上就是不断的收购[3]。

       概括而言，国外CAE软件发展可分为三个时期，1990年代中期以前为发展期，该时期主要以软件技术提升与功能拓展为主；1990年代中期至2000年代中期为壮大期，这一时期主要以拓展市场为主、功能提升为辅；2000年代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，技术能力处于平台期，软件的发展由核心技术发展转向概念创新发展。

2.2 国内CAE软件的发展与现状

CAE软件技术发展阶段

       我国工业界在CAE技术应用方面与发达国家相比水平较低。大多数工业企业对CAE技术还处于初步认同阶段，CAE技术的工业化应用有较大难度。

对于计算机分析软件问题，虽然目前可以通过技术引进解燃眉之急，但是国外这类分析软件的价格较为昂贵，国内不可能有很多企业购买这类软件。

       但人才培养是一个长期过程，是对我国CAE技术推广应用产生严重影响的一个制约因素，且很难在短期内有明显改观。提高我国工业企业的科学技术水平，将CAE技术广泛应用于设计与制造，是一项艰巨的工作。

       国内有限元软件开发起步并不晚，基本上从1970年代就开始专有程序的研制。近40年来，我国在CAE理论研究和软件自主开发方面的努力始终没有停止过，也有一些拥有自主知识产权的软件系统脱颖而出，如大连理工大学开发的JIGFEX、中国飞机强度研究所开发的HAJIF、中国科学院数学与系统科学研究所开发的FEPG、郑州机械研究所开发的紫瑞CAE、航空工业总公司开发的APOLANS、北京大学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年代中期其分析能力达到了一定水平，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逐渐凋零[4]。

       国内CAE软件也同样经历了三个时期的发展，在时间上也十分一致。

       1990年代中期以前为技术发展期。

       该时期主要以算法理论及程序编制与提升计算性能为主，严格意义上说还不能称之为软件，只是科研院所为解决科研问题或产品设计中遇到的需要通过计算机模拟的相关技术问题而编写的数值计算程序，只有参与编写程序的相关课题组人员才能熟练使用。它属于专家科研程序，非一般工程师所能掌握。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年代中期至2000年代中期可以说是国内CAE软件的沉寂期。

       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，更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软件快速完成课题研究或产品设计，也正是在这一时期，CAE软件被广泛应用在装备和产品的研制过程中，逐渐体现出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，逐渐抛弃了操作“原始”的行业专用程序，这一时期又是老一辈科研人员陆续退休的时期，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。

       同时，国外CAE软件进入了成长壮大期，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，另一方面又采用“盗版倾销”战略与向高校提供免费教育版本的方式，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，就这样多种因素促使了国外CAE软件迅速占领几乎整个国内CAE市场。这一时期体制外的CAE从业人员主要从事国外商业CAE软件的销售、培训、咨询、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年代中初期，到今天为止，国内自主CAE软件的最高水平差不多落后三十年。

       2000年代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拓，基本上占领了国内绝大部分CAE市场，涉及各个行业领域。当然，国外商业软件功能再强大，也不可能完全满足国内生产、制造、建设中遇到的所有仿真需求，这逐步促生了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年代中期开始成立商业化CAE公司，我国商业化CAE软件开发要落后四、五十年。

国内外CAE发展阶段对比

       最近十多年来，国外CAE公司进入前所未有的大整合时期，主要精力在横向扩展，在技术深度上发展缓慢。这是我国自主CAE软件发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。

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国内外CAE软件的差距分析

中国CAE的主要差距，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；但如果从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年代的水平，而且还存在被逐渐拉大的势头[5]。

3.1 国内外CAE软件开发的差距

人才差距

       软件开发到“自动有限元”出现的近60年之后已演变成一个较为成熟的行业。作为劳动力大国，我们在CAE软件的发展中，事实上只起到了流水线技工或软件白领的地位。尽管国内培养的计算力学、计算数学方向的硕士、博士在ANSYS、NASTRAN、ADINA、ALTAIR、POWERFLOW等知名软件开发或维护的过程中起了不能忽略的作用，但这些软件的数据框架以及算法框架设计均非“我们”所完成。

       现在从事CAE软件开发需要复合型的人才，单一的计算力学方向已不能应付。在具有专长的同时，CAE软件开发人才需要在计算力学、计算数学、数据结构、计算机图形学、并行计算、软件工程等诸多方向有所训练才能胜任工作，其过程可能要贯穿整个大学以及研究生的学习阶段，可能也不是计算力学的训练就能完成的工作，需要多方全力才能完成CAE软件开发人才的训练。目前，我国各高校的计算力学方向对CAE软件开发人才的需求重视不够，并没有为CAE软件的国产化实施有针对性的培养方案。

       根据陕西CAE发展研讨会会议记录，对于软件的开发也遭遇到了真真实实的人才瓶颈，35岁以下的计算力学（含机械、土木、航空的相关专业）硕士、博士基本上没有接受过大规模或较大规模的编程技术的训练，这种状况与上世纪80年代计算力学的主流，编程或以编程解决问题不可比。自主知识产权的CAE软件开发自2010年开始，在资本注入以及海外人才回归的影响下，似乎有活跃的迹象。

应用差距

       同时，国外商用CAE软件的大量使用，逐步减轻了工业设计部门对科研院所的依赖，更多的工作由设计部门的分析工程师承担了仿真分析职能。然而，也正是因为国外商用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步弱化，甚至逐渐失去了造血能力，致使国内CAE技术停滞不前出现了十年沉寂期。直至现在，众多高校本该教授有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“有限元理论与XX软件”。老师只需要蜻蜓点水般对有限元理论稍加介绍，利用大量课时教会学生使用某个CAE软件，学生则只需利用该CAE软件完成一个大作业即可完成课程学习。

3.2 CAE 软件开发的差距来源

       形成这种局面的主要原因，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：

       买得到、有的用的事实迷惑了人们视线，没有什么比花钱拿来用更简单的事情了，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，应用领域在工业，也导致上属主管主抓关系没有很好理顺，近乎三不管地带。

       多年以来，我国许多关键行业都遭到了国外的技术封锁。“像在航空领域，有一些CAE软件，我们尚未提出买源码，而只是希望把软件买过来装在我们的曙光服务器上，与机器一起销售，外国公司都不同意，做软件代理也不行，他要垄断整个行业。我们不能对购买国外的核心技术抱有不切实际的幻想”。显然，我们对问题的严重性、迫切性应有清醒的认识。

       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”轰轰烈烈蓬勃发展的大潮中，寻找工业仿真软件的发展之路？

3.3 打造国产CAE软件平台的必要性

►产品竞争能力的需要

       CAE技术在制造业几乎已成为所有工业领域必备的创新技术手段，是今后各企业从事技术创新的技术人员所必须掌握的基本技能。现代数值模拟仿真技术的应用，对于及时推出新产品、缩短开发周期、节约成本、提高质量具有举足轻重的作用，是企业竞争能力持续增长的关键。美国将CAE系统提到“服务于国家利益的关键技术”高度的作法值得借鉴。

►打破市场垄断的需求

       上世纪80年代初，国产CAE软件曾得到过一定的发展，大部分设计院用的都是国产软件。后来国外软件长驱直入，采用低价倾销或免费的方式逐步占领了我国市场，将国产软件扼杀于襁褓之中。当我们失去可与之抗衡的国产CAE软件产品时，国外软件在中国市场的价格则升得比他们本土还高，以致我国中小企业难以承受。市场垄断在造成商品价格大大提高的同时，也从源头上抑制了国内CAE创新和产业形成。国家对自主应用软件的扶植虽然没有停止过，但因重视程度不够，只是细水长流，甚至杯水车薪。还因为科研成果评价体系的偏颇，不但导致研究工作分散，未能形成自主软件产业基础结构，而且造成了大量人才外流，加剧了国外软件对中国市场的垄断。正是由于先期自主意识不够，对软件产业缺乏全局认识的高度，最终导致对国外软件的依赖，并不时受制于强国“禁运”的紧箍咒。

►国家战略安全的需要

       国外CAE软件产品中重要或敏感的模块和功能历来是对我国禁运的。面对核心技术的封锁，虽然我们有自主研发的成果，但进口商用软件无法作为进行二次开发的平台。不具备知识载体的自主软件平台，国民经济和国防现代化的研究成果难以自成体系，不能持续发展，必然浪费资源，为人作嫁，就如同分散的小作坊面对大工业流水线，岂是对手。特别是在航空航天等重要领域，长期依赖国外CAE商业软件平台是无法健康发展的。这种局面对经济发展极为不利，且在国家战略安全的需求上长期受制于人更是后患无穷。

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解决对策思考

       自从2006年中国科学院在上海召开“CAE自主创新发展战略”科技论坛，特别是2007年中国科学院向国务院呈送《关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业的建议》报告之后，业界立刻在2008年分别以“发展CAE软件产业的战略对策”和“我国高性能计算的发展与对策”为主题举行香山科学会议予以响应。如今，发展自主CAE软件产业的大讨论已走过十多年，但是国产的CAE软件还是没有看到成熟的软件产出[6]。

本文结合自主CAE软件发展所需的社会服务体系功能和大局意识，探讨在推动先进制造业和生产性服务业建设的同时，循序渐进地推进自主CAE软件战略产业的一些想法。

4.1 专业技术研究发展的服务平台

       服务平台应为中小企业提供CAE共享基础条件支撑，为装备制造业科研、设计以及生产提供计算分析手段，从而提高产品质量和生产效率，增强企业竞争力。其功能应体现政府的职能转变方向，即向社会服务转变、向产业扶持转变。在推广应用具有自主知识产权的CAE技术和软件过程中，服务平台应尝试用“专业技术水平评判、市场需求公开评估、企业反馈审核机制、成果转化考评模式”的方式体现自主先进软件技术在重大工程项目中的科研成果价值，从而形成具有巨大引力场的黑洞模式，吸引、吸纳社会资源进行技术与工程的对接以及行业与产业的推进，逐步形成辐射性很强的全方位合作模式。服务平台的主要推荐对象是自主CAE软件，并将其成果转化作为工作目标。这种服务符合国内工程行业的需求，能够赢得广泛认可。服务平台的成立能体现政府对于国家战略产业的掌控指导能力和决心。

4.2 研究和应用交流推广的服务平台

       服务平台应为自主CAE技术的研究和应用提供交流支持。专业性杂志是培育该学科和产业的重要组成部分，其特色、特点和特长是我国CAE核心竞争力的体现，因此依托专业媒体是提升服务平台交流功能的重要举措之一。国内CAE软件市场几乎被国外厂商垄断。实力雄厚、财大气粗的国外主流CAE软件厂商每年都举办各种技术交流会议，其软件版本不断更新、应用面面俱到、概念层出不穷。由于缺乏自主CAE软件平台的应用，只能根据国外CAE软件提供的材料炒成菜肴，难以体现我国CAE自主创新成果。虽然我国的基础研究工作可圈可点，研究成果更是独具特色，但这些成果的落地生根之路如同浮萍，随时可能成为别人树上的果实。与专业性期刊共命运的，还有众多弱不禁风的自主CAE软件公司以及“求贤若渴”的应用企业。

4.3 知识产权利益保护的服务平台

       知识资产通过学习和服务体现出潜在的经济价值，在分享中倍增其自身的效益；然而，能否与实物资产同样体现其应有的价值，需依托可行的知识产权保护体系。制定和实施知识产权战略是提升产业竞争力的必然选择。科技成果是重要的无形资产，需要用知识产权制度来保护才能使其具备财产权。知识产权的取得需具备一定的条件。依据知识产权法对科技成果进行产权界定，使其成果权利人在一定的期限内享有科技成果的独占权并享受由此产生的经济效益，是调动企业、个人乃至整个社会科技创新积极性的重要保证。知识产权制度是科技成果转化过程中的重要组成部分，知识产权作价出资入股是激发科技工作者创新积极性、保证创新成果不断涌现的基础。为加快科技成果资本化和产业化进程、推进知识产权的质押融资，服务平台应具有知识产权利益保护的服务功能。

4.4 学科协作的支撑配套的服务平台

       目前，自主CAE软件产业建设中普遍存在“重实施、轻规划，重技术、轻管理，重技术、轻市场，重硬件、轻软件”的问题，需从长远的规划和可以操作的管理层面解决，以下3方面有待重视和解决：

       (1)CAE技术已有质的提升，已经从计算机辅助工程发展到计算机分析工程，这是提出建设自主CAE软件产业的基础；

       (2)应了解和剖析产业化的现状和差距，从消除认识误区着手，在体制、机制和法制层面不断完善产业建设的创新模式；

       (3)根据经济体制结构和管理机制结构的调整，结合重大挑战性项目和若干基础科学问题，提出实际和具体的对策方案。

4.5 资源调配协调沟通的公共平台

       目前，我国CAE软件开发大多由科研部门或大专院校组织和发起，相关环境的限制使这些初创软件成果难以直接进入市场资源配置，难以被纳入社会保障体系。因此，作为引导和扶持，政府公益性的服务平台建设显得尤为必要。

       目前工程模拟普遍依赖于进口商用软件的现状，既不利于我国科技与工业竞争力的提升，也无法形成与国外的垄断相抗衡。我国CAE软件产业的唯一出路就是培育自主品牌并在市场上占有一席之地。这是参与国际竞争的关键，是提高国家竞争力进而保障国家安全的关键。相关政府科技创新管理部门应组织地方的CAE软件发展管理中心平台，吸收CAE骨干企业、聘请顶尖设计师，牵头负责CAE软件包的框架、方案设计工作；融合陕西地区需求单位等外围组织积极参与，提出软件应用需求，提供软件使用优化建议，参与软件开发活动，促进创新良性发展，进一步积极创造良好的高端人才引进机制，充分发挥顶尖人才在CAE发展的重要作用。

       只有满足以上，才能建立满足国家战略需求、符合市场经济规律的CAE产业实体。走以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的自主创新之路，努力将科技成果尽快转化为市场上有竞争力的商品。