CAE狭义上主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。CAE涵盖领域包括有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）、多体动力学（MBD）、耐久性和优化等。

从CAE软件基本结构来看，主要组成部分包括：用户界面、数据管理系统、数据库、专家系统和知识库五大模块。其中数据管理系统是使用CAE软件进行性能分析或模拟时用到的核心部件，一方面通过接口实现CAD、CAM等格式文件的输入，另一方面提供前处理、求解分析、后处理三个流程实现仿真模拟。求解分析模块根据处理问题的不同，又可以细分为静力线性子系统、动力分析子系统等众多分支。

从核心工作流程来看，CAE软件仿真过程即求解分析流程包括前处理、求解、后处理、优化、报告。前处理过程包括几何图形处理、网格划分等；求解过程主要包括模态、刚度、强度等分析方式；后处理过程包括展示位移、应力等动图；优化过程主要针对仿真结构设计进行修改，并再次回到前处理流程；最终获得合意结果后，通过图形化方式向用户进行报告。

• 案例：索辰CFD流体仿真流程

以CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）为例分析以上流程。下图具体介绍了CAE的模块构成。

1. 前处理
   在前处理过程中，首先需具备网格/粒子离散模型，离散模型可以通过软件自带的几何建模和网格/粒子离散模块实现，也可以导入外部的几何模型或网格/粒子模型。之后设定计算区域，选择物理模型、材料、数值求解各式，以及设置初始条件、边界条件、载荷、约束等。上述各项物理和数值求解参数设置完成之后进行求解过程。由于通用CAE软件支持多种多层次的物理模型、边界条件、材料、数值求解格式，所以前处理过程需要诸多步骤，且各项设定都会影响计算结果，CAE获得准确可靠结果的前提是前处理阶段的各项输入和设定合理正确。
   

（索辰流体仿真软件前处理模块构建的航空发动机粒子离散结构（无网格）

1. 求解器
   求解器将CAE软件底层的物理、数学算法用计算机语展示并计算求解，是CAE的核心，具有较高的知识产权价值，在产业链种占据价值的制高点，求解器的性能直接决定了CAE软件的技术水平。求解器旨在求解数学物理模型对应的方程，构建求解器算法的关键步骤是使用合适的计算数学方法，不同的数值格式决定了代数方程组的最佳求解方式、求解效率和稳定性以及它逼近原始微分方程的精确程度。
   以CFD为例，基于不同的计算策略，会形成不同数值计算的数学模型，进而采用不同的数学求解方法。

从宏观到介观再到微观模型，整体上看，算法的计算精度提升，但是模型包含的参数增加，对计算资源的要求显著提升。相比于求解N-S方程等传统数值方法，LBM、GKS、DSMC、SPH算法的实现都要依靠较高的计算资源。求解器算法的提升一方面要靠数学物理模型的不断优化，一方面要依赖计算机技术的发展对算力的提升，同时，这种算力的提升能够有效应用于数值计算的性能优化。

1. 后处理

后处理模块用于处理和显示CAE求解器生成的结果数据。CAE求解计算会产生大量的数据，为了获得数值模拟的研究结果，必须对计算产生的数据进行分析、理解，以便发现计算过程中出现的情况和问题，从而正确地认识和理解被研究对象。后处理模块为客户提供了可视化的界面，通过多种方式展现工程问题的模拟结果，包括图标、图形、动画等。

（索辰流体仿真软件后处理模块展示的直升机旋翼流场仿真结果）

第二章：CAE软件底层学术支撑

CAE软件从本质上来看，可以拆解为三层：数学+物理学（底层）、计算机科学（中层）、工程学（外层）。CAE软件从底层的物理规则和数学公式出发，以现实世界的规则打造软件内核；而后这些法则经过计算机语言编程和算法封装，沉淀为软件本身的求解器，并利用计算机图形学实现可视化和用户交互；最后，结合特定领域工程学的工作流程，CAE软件提供相应领域的求解流程，帮助用户解决工程中的实际问题。

• CAE软件核心在于物理学和数学
  数学角度来看，CAE的本质是利用结构离散化的思维解决复杂的工程问题，而离散过程涉及到多种数学求解方法。所谓结构离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单位组合体，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值，得到代数方程组作为原先微分方程组的近似数值解。离散过程用到的求解方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、离散元法（DEM）、边界元法（BEM）、有限体积法（FEV）、无网格法（Mesh free）等等。此外，遗传算法、神经网络算法、梯度下降法等新方法也开始被应用于CAE求解过程。在这些数学算法中，以有限元法（FEM）应用范围最广也最为常见。
  以有限元分析为例，有限元问题的根基是数值求解偏微分方程。
  从前处理到求解、后处理的过程无非是设置形函数，离散，形成求解矩阵、数值解矩阵，最后进行结果分析的过程。有限元方法的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。
  从物理学角度来看，CAE的本质是用物理法则对现实世界进行描述。真实世界存在各种各样的物理场，物理场指某种空间区域，其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力。常见的物理场包括传热、孔隙水流动、浓度场、压力应变场、动力学场、化学场、静电场和静磁场等。此外，每个专业领域又会涉及到特定物理规则，以结构为例，为解决结构设计的问题，有可能会涉及到理论力学、分析力学、材料力学、结构力学、弹性力学、塑形力学、振动力学、疲劳力学、断裂力学等一系列特定规则。
  真实世界的物理场往往以多物理场并存的形式存在，因此CAE仿真过程还需要将多物理场耦合问题考虑在内。多物理场的应用涉及一个或者多个以上的物理过程或者物理场，是多个学科的交叉。典型的多物理场应用包括土体固结理论、流体力学模拟、电动力学应用、计算电磁厂、传感器（如压电材料）的设计、流体-结构相互作用、多孔材料中的能源和气候变化研究等。因此CAE多物理场仿真需要耦合多个物理现象，针对多个相互作用的物理性质进行研究。
  

• CAE中层为计算机科学支撑

计算机科学是连接底层算法和外层工程学应用的纽带。CAE同其他工业软件一样，在早期发展受到计算机科学发展的深刻影响。拆解CAE软件架构来看，CAE可以按照功能分为9大模块：输入输出、几何建模、有限元模型、后处理器、求解器、图形、公共模块、高性能计算、参数优化设计。而计算机科学在其中扮演的角色可以归纳为三点：

1. 对物理法则和数学方程进行代码封装：在此基础上搭建物理模型和数学模型，以算法形式建立仿真约束条件；
2. 提供仿真过程所需的算力：模拟仿真过程涉及到的大量计算过程，需要计算机提供算力支持、加速计算过程（高性能计算）、优化参数设计等，以加快设计过程；
3. 提供交互界面与模块：帮助用户在输入流程实现关键参数和规则的输入、实现仿真过程以及在后处理中提供计算机图形处理和展示。

CAE软件应用开发流程

• CAE外层以工程学支撑
  对工程知识的理解是CAE在具体应用层面的表达。在数学、物理学构建起的软件内核之上，CAE开发者用计算机科学搭建了基本功能模块，但CAE软件要想真正为用户所用、服务于工业流程，还需要经过工程学的应用。
  从工程学通用流程角度来看，工程问题涉及到概念规划、系统/详细设计、测试、生产等多个环节。如何从软件层面衔接不同流程，实现上下游协作，需要CAE开发者在设计之初就对工程工作流有深刻的思考。
  从垂直工业领域的工程问题来看，不同工业领域对CAE软件需求有较大差异。一方面，不同行业有自身的设计规范和标准，对产品的测试流程不一、维度不同，制造现场涉及大量的工艺过程需要行业know-how作为支持。另一方面，下游用户的使用习惯和绑定程度也决定了CAE软件在工程学领域的应用形式。
  

第三章：CAE核心能力及应用
仿真也称模拟，就是对现有或未来系统进行建模并实验研究的过程，按模拟对象可以分为离散事件模拟与连续模拟。CAE仿真主要用于模拟零件、部件、装置（整机）乃至生产线、工厂的运动和运行状态。运用CAE软件进行仿真的典型目标包括系统性能分析、容量/约束分析、方案比较等。

仿真过程的关键在于将现实转化为仿真模型，在仿真的前期过程中，关键步骤在于理论与现实问题的转化。这一过程中，仿真工程师起到重要作用，其对模拟对象的理解是将现实转化为仿真模型的关键。设置变量太多尽管可以保证准确性，但也会导致运算过程过于冗余，拉长产品上市时间；若未能对模型做出合理的简化，则会导致结果出现严重偏差，甚至使得产品失效。
由此，CAE软件提供两种解决方式：
供给端：优秀的商用CAE软件往往可以凝练大量的共性问题，将软件“黑盒化”，通过限制操作者来减少人为错误的出现。
需求端：企业可以借助CAE软件制定一条完善的仿真流程规范，将可能的问题形成通用的解决方案，从而减少对仿真工程师个人能力的依赖。

• 不同角度（研发设计、试验测试、工程建设以及软件应用）分析CAE仿真在设计试验过程中的作用

研发设计：仿真通过指导设计推动了技改，从而提升生产效率。CAE仿真借助计算机分析，帮助设计者寻找最佳产品设计方案，确保了设计的合理性，缩短产品设计周期，降低材料和设计人工成本。在整个过程中，CAE没有直接对设计端进行任何调整，但是却间接指导了设计，其中价值主线实质上来自于仿真的数据结果。

试验测试：准确的虚拟仿真可以有效减低试验成本。传统设计过程主要通过生产试验件来进行试验，当结果基本符合设计的理想值和最低可接受值后可进行量产。CAE仿真通过构建“虚拟样机”，替代传统验证过程中“物理样机验证”过程，缩短设计-验证-制造循环周期的同时，节省生产物料成本。

工程建设：工业产品从概念规划到生产落地需要经历的工程阶段包括：规划阶段、概念开发、系统级设计、详细设计、测试与提炼、生产启动等。分阶段来看，设计阶段需要分析并确认客户需求，进行市场研究和可行性判断等工作，在此基础上确定成本目标和设计方案，进而进行尺寸、材料、工艺等详细设计；测试阶段则需要通过仿真、试验等方式对工业产品的性能、可靠性、使用寿命等关键指标进行测试，并根据测试结果对详细设计进行再次确认，最终启动生产制造工作。

软件应用：CAE在产品不同生命周期中提供仿真分析能力支持。

1. 概念设计阶段的CAE仿真分析：概念设计阶段工作流程从客户需求评估出发，企业对用户的基础设计进行验证，同时评估产品技术可行性，做出商务决策。在确定需求之后，设计人员可以使用CAE软件对概念产品进行构建，甚至建造并验证试验性原型机。此外，CAE能够帮助企业进行制造可行性评估，以判断是否在预定的时间、预定的成本以及现有的设备能力等约束条件下完成用户需求的开发设计和制造任务。
2. 系统/详细设计阶段的CAE仿真：系统设计和详细设计阶段对于CAE软件的需求相似，均是对概念设计的进一步展开。在这个阶段，需要进行的设计步骤包括系统设计、装配方案设计、子系统和接口定义、零件设计、公差分配等等，需要细化到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造商是否可行，已有的加工设备是否满足结构设计要求(比如板厚及半径等)，工艺步骤或者工装是否最简化等等，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由结构分析工程师和设计工程师以及制造工艺师一起参与完成。
3. 试验阶段的CAE仿真：在试验阶段，传统的生产过程下，企业需要经历“样机制造-试验-修改设计-样机制造”的过程，即需要制造物理样机并投入试验，【根据试验结果反复调整设计、重新制造以最终达到目标要求。这一过程往往需要耗费大量时间来进行实体制造以及设计方案协作调整，造价也较为昂贵。而CAE在这一过程中，通过虚拟样机提供仿真分析，相较传统过程可以节省大量制造和试验时间，节约费用开支。工程师们利用CAE软件甚至可以在实际试验之前就掌握最可能的载荷/激励位置和最佳测试方法，显著减少试验时间。
4. 制造阶段的CAE仿真测试：在产品制造阶段，企业需要根据既定方案进行产品生产，需要结合制造工艺对设计方案进行进一步的确认，根据CAE仿真结果调整生产过程。通过CAE仿真计算可以进一步确认工艺步骤，可以优化制造的工艺流程、减少废料；可以针对加工错误进行演算，通过修改图纸尺寸来保证交货期，避免废品和返修。

• CAE仿真在不同行业的应用

在具体的行业应用中，各自领域内存在诸多特异性问题，CAE的应用落地需要经历不同的考验。行业应用实践的难点可以概括为：

1. 真实世界应用场景复杂，往往需要进行多场景耦合，且不同行业涉及的物理场有天壤之别；
2. 建模过程中参数的设置依赖于工程师的经验，需要使用者对本行业的制造工艺、工况有深刻的理解；
3. 有限元分析仅能提供近似解，误差不可避免，如何取舍精度需要人为把握。

行业应用一：航空行业（结构力学仿真、流体力学仿真、电磁学仿真）

1. 结构力学：飞机总体结构以及机身、机翼、起落架、发动机等部件的线性和非线性静、动力强度分析；疲劳寿命计算；复合材料设计和强度计算；鸟撞、迫降等事故状态下的冲击力学计算；制造工艺设计（冲压、焊接、锻造等）与分析；结构强度试验项目的计算机模拟和乘员安全性分析等。
2. 流体力学：飞机气动特性（升力、阻力）计算及气动布局的最优化设计；飞机-发动机匹配特性计算（进气道设计）；非稳定状态下（扰动气流、低空阵风、机动飞行等）的气动响应计算；导弹发射、副油箱抛撒等对飞机的影响；气动结构载荷和气动温度载荷计算；发动机效率（气动效率和燃烧效率）和舱内空气循环计算分析。
3. 电磁学：机载天线、雷达、电子器件间的电磁兼容和电磁干扰分析；天线布局设计；军用飞机雷达散射截面（RCS）计算；电器设备效率和安全性分析等。

行业应用二：船舶行业（结构力学仿真）

随着船舶不断向大型化、复杂化方向发展，利用CAE技术提高设计水平，缩短设计周期愈发重要。

船舶从用途上分类，可分为军用船舶和民用船舶两大类。在军船的研发过程中常涉及到强度、刚度、振动与噪声、抗爆性、疲劳、总体性能、快速性、操纵性与耐波性、稳定性等多方面的技术问题。民船的设计往往更偏向于提高结构强度、载重量和快速性等方面，主要技术问题集中于结构强度与水动力性能方面。

行业应用三：桥梁建筑行业（结构力学仿真）

CAE软件通过仿真模拟能够实现对桥梁进行较为准确的受力分析，模拟其在各种工况下的动态反映，对桥梁的安全控制有着重要现实意义。具体来说，CAE有限元分析可以用于模拟各类桥梁的受力、施工工况、动荷载的耦合等。静力分析中，可以较精确的反映出结构的变形、应力分布、内力情况等；动力分析中，也可以精确的表达结构的自振频率、阵型、荷载耦合、时程相应等特性。

第四章：CAE发展历程

• 全球CAE行业发展历程
  主要分为技术萌芽（1960-1970s）、快速发展（1970-1990s）、壮大成熟（1990s-至今）
  CAE技术萌芽：1960-1970s
  这一阶段，有限元理论开始发展，分析对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度及模态试验分析，技术条件表现为计算机的硬件内存少、磁盘空间小，计算幅度慢。
  CAE商业化起源于NASTRAN，脱胎于航空工业。1966年NASA为满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，提出了发展世界上第一套泛用性的有限元分析软件NASTRAN的计划。该计划由计算机科学公司CSC牵头，MSC公司参与。MSC公司成立于1963年，始终从事计算机辅助工程领域CAE产品的开发和研究，参与整个NASTRAN的开发过程，该计划的实施标志着CAE脱离学术研究，通用有限元软件第一次真正意义上投入到工程实践中。1969年NASA推出了第一个NASTRAN版本，成为COSMIC NASTRAN，即后来的NASTRAN level 12。
  CAE软件快速发展：1970-1990s
  1970-1990年代是CAE技术蓬勃发展的时期，SDRC、MSC、ANSYS等公司在技术和应用继续创新的同时，新的CAE软件迅速出现。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功，从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、磁场、声波场）的分析；从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展；从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现许多著名的分析软件如MARC、I-DEAS、ANSYS、ADAMS、ABAQUS、PHOENICS与FloTHERM等，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。

1990年至今：CAE软件壮大成熟
自1990年以来，CAE软件积极扩展CAE本身的功能，领域出现吞并的市场局面，大的软件公司为了提升自己的分析技术、拓展应用范围，不断寻找机会收购小的专业软件商，CAE软件本身的功能得到极大提升。同时，CAD技术的不断升级为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础，各大分析软件向CAD靠拢，发展与各CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。CAE应用领域拓宽，使用者从分析专家转向设计者和设计工程师。
1999年，MSC收购了UAI和CSAR，成为市场上唯一一家提供Nastran商业代码的供应商。由于其垄断定价的地位阻碍了市场竞争，NASA向美国联邦贸易委员会提出申诉，最终美国FTC判定MSC Nastran垄断市场，其源代码必须公开。而后，UGS根据MSC提供的源代码、测试案例、开发工具和其他技术资源开发出了NX Nastran，使得源于NASA的Nastran一分为二，二者保持数据兼容。2003年9月，NX Nastran产品正式发布，UGS承诺将全力开发支持NX Nastran和NX Nastran的前后处理器（NX MaterFEM，Femap、NX Scenario），并在两年中每年推出两个NX Nastran新版本。2007年UGS被西门子收购，2008年推出的NX6产品已将其技术集成到NX系列中。

• 国产CAE行业发展历程
  由于计算机条件限制，尽管上世纪60年代我国有限元理论已经成熟，单有限元软件主要基于分析功能研发。70年代初期，国内出现具有自主知识产权的有限元分析软件，尽管该类软件具有较强的理论水平和技术能力，能够解决特定领域的专业问题，但是软件的通用性和适用范围相对局限、缺乏整体竞争力，而且软件的市场推广、后续服务能力不足，限制了此类本土CAE软件的市场化及产业化进程。
  

上世纪70-90年代，国外商业CAE软件进入稳定商业化运作期，其软件已不具备明显的行业特性，并且因为具有较快的求解速度和较高的稳定性、专业性，同时对于工程课题研究或者产品设计具有较强的便利性，在制造业装备和产品研发中的应用广泛度逐渐提升，占据领先的市场地位。国内CAE软件的发展受限于资金投入不足等因素，从基础研究到工程应用、再到软件商业化的进程受阻，发展缓慢。

• 近十年国家政策引导
  21世纪以来政府陆续出台了一系列扶持政策以推动CAE行业发展。政府出台的行业支持政策有助于推动CAE技术发展、健全行业标准体系、促进CAE软件行业应用、加快建立产业生态体系，对于助力下游工业企业智能化、信息化进程具有重要意义。行业下游汽车、工程机械、航空航天等行业的市场需求持续增大，刺激CAE市场容量释放。

2006年以来，国内CAE下游各行业应用领域市场需求庞大，尽管国外CAE软件厂商在市场中具有较强的领先优势，但不能完全满足中国工程、制造业等领域内研发、生产、制造、建设等环节中的仿真设计需求，市场中存在较多围绕特定行业应用而催生的CAE软件二次开发业务，为中国本土CAE软件的市场化发展提供契机。

21世纪初国内CAE行业进入快速发展时期以来，大量专注于CAE的公司成立，其中代表如上海索辰、安世亚太、前沿动力、云道智造、英特仿真、索为系统、南京天洑、十沣科技等。

第五章：CAE市场规模
2020年全球CAE市场规模约80.2亿美元，根据kbvsearch，2016年到2020年市场规模复合增速为12.5%。根据华经情报网，2020年中国CAE市场规模约61.8亿元，2016-2020年市场规模复合增速为18.6%。中国CAE市场规模占全球比从2016年的9.3%上升到2020年的约11.5%。
市场结构较为稳定，有限元分析是最为主要的组成部分。从全球CAE市场结构看，有限元分析是其中最为主要的组成部分，其次是流体力学分析、多体动力学分析和仿真优化，有限元分析市场规模占比在2014、2015、2019年分别为56%、53%、56%，流体力学分析占比分别为23%、25%、26%。从趋势看，整体结构较为稳定。

• CAE市场发展要点

1. 市场驱动力：产品可用性是关键因素
   是否运用仿真解放实验，本质是收益和风险的权衡：收益在于降低成本，风险在于仿真结果与实验结果可能存在一定误差。从CAE的角度看，软硬件进步改善了用户体验，拓宽了产品能力边界，理论和工程实践层面的进步提升仿真可靠性是市场发展主要的驱动力。

1. 计算机软硬件能力提升拓宽CAE能力边界
   计算机计算、存储能力的提升拓展了CAE产品的能力边界，使得理论的进步得以在现实中实现，通过提供更加强大的算力及更先进的图形技术，支持了更贴近现实的物理模型及更高精度的数学求解方法的实现，并且在对结果的分析方面，通过智能分析等技术进一步提升仿真的实践指导意义。
   随着计算、存储能力的不断提升，CAE产品的能力边界不断被拓宽，表现为更丰富的数学求解方法（如有限元方法拓展、与其他数值方法联合求解）、更丰富的产品功能（如从求解器向前后置处理软件拓展）。
   

以汽车仿真功能变化为例，随着计算机计算、存储能力的提升，汽车仿真在不同的细分领域应用深度不断拓深，从简单的、低频的、低精度的领域向复杂的、高频的、高精度的领域拓展，应用深度进一步提升。

1. 智能化技术提升CAE效率，人工智能技术可与仿真的多个环节结合。
   人工智能技术能够与CAE的多个环节相结合，提升CAE的易用性和使用效率。一方面表现为通过AI技术总结经验的功能，部分替代需要人工参与的环节或为人工提供辅助，增强易用性，如AI提供边界条件，AI提出修改建议等。另一方面，通过AI算法训练代理模型，有助于提升计算速度，降低成本。
   

1. 云仿真技术推进CAE应用拓展
   云端CAE建设包含两种模式：求解环节云化和全环节云化。
   求解环节云化，用户在本地建立模型，将模型、载荷文件上传，在云端调动求解器进行求解，随后将求解结果下载到本地进行后处理。此种模式优势在于调用的往往是通用求解器，具有较强的通用性，且实践较为简单。
   全环节云化：该模式不仅包含云求解器，还包括通过网页快速参数化建模、载荷求解设置以及后处理。用户能够在网页端实现从建模到求解，再到可视化分析及后处理的完整流程。
   云CAE提供多端访问、资源分配的灵活性，以ANSYS云平台为例，通过ANSYS Cloud Gateway，可以实现多终端访问，支持电脑、平板或者手机等终端，通过Web形式即可访问数据。通过云模式，用户能够选择所需要的计算资源，在计算资源运用上具有一定的灵活性，有助于提升计算的速度。
2. CAE与CAD协同不断推进
   从历史演进看，CAE与CAD的合作不断在推进。90年代，CAD公司与CAE公司开始出现合作趋势，两款软件逐渐通过数据接口或者商品化框架集成。2000年之后，CAD厂商开始对CAE软件进行并购，最终形成了比较完整的软件体系，而且从底层数据结构的层面上实现了二者的融合。

在工程实践中，CAD与CAE的系统主要依赖三种途径。一是采用同一公司开发的集成化软件：二是利用大型商用软件之间的数据接口程序，但该方法对于对接双方彼此的软件版本有严格要求；三是利用应用程序与标准数据之间的数据交换界面，以标准格式为媒介实现二者的数据传递。
集成化软件的开发与数据接口需要公司、产品之间的配合，而统一数据标准的建立则有助于推动CAD与CAE协同进一步的推进。
数据交换标准的建立使得不同的子系统之间、不同模块间的数据交换能够顺利进行。上世纪80年代，行业诞生了IGES、PDDI、PDES等多个数据交换规范标准。
STEP数据标准由ISO制定，在3D的CAD模型文件中应用广泛，国际标准化组织ISO所属工业数据分技术委员会为解决各种CAD系统之间的不兼容问题，从1983年开始着手组织制定一个统一的数据交换标准STEP，为产品规定其生命周期内唯一的描述和计算机可处理的信息表大形式。至1994年已完成其中12个分号标准，随后该标准被美国波音公司等11家航空巨头、美国海军及大量工业客户采用。
CAD与CAE协同意义：CAD技术的出现，使得设计人员可以用计算机而非图板进行产品二维图形的设计。而随着计算机技术的不断突破，CAD技术逐渐从计算机辅助绘图发展演变为计算机辅助设计技术，即直接采用三维模型进行产品设计。在三维模型发展过程中，CAD技术经历了从线框技术到曲面技术，再到实体造型技术的发展。其中，由于实体造型技术能够比较精确地表达零件的全部属性，因此在理论上为统一CAD与CAE的模型表达奠定了基础。

CAE软件在与CAD的融合过程中不断强化其前处理能力。上世纪90年代，在发展Windows界面应用的过程中，CAD与CAE开始进行融合。其中，CAE软件通过积极发展对各CAD软件的专用接口，便于高质量模型的导入，减少了几何清理的难度，大大增强了软件的前处理能力。前处理能力的增强有助于提升CAE的求解效率。CAE前处理是将CAD数据转换为在某种工程问题下可计算的数值模型的过程，主要流程包括几何处理、网格划分、材料设定、约束加载和输出定义。

1. 虚拟现实技术的发展改善了CAE使用体验。
   虚拟现实技术运用计算机图形构成的三维空间产生一种人为虚拟的环境，使得用户在视觉上产生沉浸于“现实”环境的感觉。随着专用于图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片发展，计算机的图形处理能力迅速提高，加之三维图形算法、参数化建模算法的发展，快速真三维的虚拟现实技术将会不断地发展成熟。由此带来的，是CAE软件在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图形处理技术方面的新发展。
2. CAE产品逐步降低人为因素的影响
   人在仿真中的作用仍然重要：CAE产品在工程中仍然是处于辅助的地位，人的经验在其中仍然起着重要的作用，这使得CAE仿真过程的产品化受到一定的限制，智能化技术的运用在一定程度上能够改善这一问题，此外，专业的咨询团队外包也一定程度上改善了这一问题。
   在利用CAE进行仿真分析的过程中，CAE软件的角色只是作为辅助工具，核心参数的界定，模型的简化，结果的分析都需要与人的工程、理论知识相结合。在产品化过程中，人为因素的降低成为推动CAE推广的重要动力。
   

对于重要仿真模型的参数，来源包括外部及内部两大途径，均与工程积累密切相关。其中，外部来源如通过供应商提供或行业规范、参考文献等，而外部标准来源本质上是来自于现有的工程实践的积累；内部来源包括实验、拟合、内部规范等途径，内部规范往往在比较成熟的仿真流程中，随着经验的积累逐步形成。对于较新的仿真流程，往往内部需要通过实验获得参数。

1. CAE仿真规范的逐步建立推进CAE行业发展
   CAE发展的早期时代，存储空间有限，所能容纳的数据收到限制。随着PC硬盘容量的不断提升，更多的计算模型、标准规范、设计方案等知识性信息被纳入CAE软件的数据库中，使CAE数据库及数据管理软件迅速发展，高性能的面向对象工程数据库及管理系统出现在新一代的CAE软件中。
   企业建立CAE仿真分析规范，有助于提升CAE仿真的规范化、标准化程度，规范的建立需要企业通过试验和仿真相互校核建立标准，并通过积累、更新机制不断完善规范，本质是企业工程分析经验与知识的凝练。
   分析工程师由于专业知识背景、软件掌握能力、产品理解程度不同，可能导致模型简化、网格划分、边界处理上的不同，影响分析结果可靠性。通过建立仿真规范，对各个环节规范指导，有助于加强结果可靠性，利于CAE的推广。

CAE仿真规范建立是CAE软件应用的重要推动力。航空航天、汽车领域仿真标准率先建立，CAE相关的应用也得到了较好的推广。随着更多行业内仿真标准的建立，CAE有望在更多行业内获得使用。

1. CAE咨询帮助企业解决复杂场景问题
   CAE咨询是给客户提供实际工程问题的CAE仿真解决方案，同时也配套方案后面所能提供的一系列技术服务，具体可以包括网格设计和划分、结构线性与非线性分析、CFD分析、动力学分析、流固耦合分析、优化分析等，通过CAE咨询，为客户提供量身定制的解决方案，并通过CAE技术解决客户的实际工程问题。
   几乎所有的咨询类公司也都是基于目前市场上较为通用的CAE软件提供工程实际问题的解决方案，不过随着软件二次开发技术的越来越透明，所需解决的问题越来越复杂，针对工程问题的二次开发定制也逐渐应用的多起来。
2. 仿真效果的逐步优化
   仿真本质是用物理模型模拟现实，用数学求解物理模型，再用数学结果指导现实，过程中可能产生三重误差，物理理论、数学理论的发展、工程实践的积累等途径有助于从不同侧面减少仿真的误差，改善仿真效果，增强仿真的实践指导意义，成为CAE产品应用的重要推动力。
   

CAE利用的算法往往是通过数学方法获得数值解，方法本身具有局限性，存在不可避免的误差，可能影响最终的效果，而通过合适的算法改进，可以针对特定的应用尽可能减少误差，成为推动CAE在细分领域推广的重要动力。

CAE算法本质是数学理论的应用，数学理论的进步推动算法的提升，从而能够对更加复杂的物理模型进行计算求解，CAE解决问题的能力也由此进一步提升，随着数学理论的进步，CAE所能解决的问题从线性、单体建模、单一场分析、尺寸参数优化进步到非线性、多体系统、多物理场耦合、形状优化。
算法的演进有助于其向更多的应用范围拓展，以有限元算法为例，从最初的求解结构的平面问题不断拓展，由二维扩展到三维、板壳问题，由静力学拓展到动力学、稳定性问题，由机构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等，由线性扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑形、粘弹性、粘塑性和复合材料。

1. 不同的计算特点适用不同计算场景

从计算耗费资源及精确度看，有限元法和边界元法在低频场景较为适用、统计能量分析法、声线声锥法较适用于中高频场景。

多物理场耦合在产品开发方面面临数据传递等问题，多物理场耦合理论基础为求解PDE：求解多物理场耦合的理论基础是偏微分方程（PDE），但与但物理场求解不同的是要同时求解多个偏微分方程，即偏微分方程组。由于求解较为困难，实际应用中往往采取变通解法简化计算。多物理场耦合求解涉及数据传递等问题：在多物理场耦合求解中往往根据物理模型对耦合类型进行划分，涉及不同格式数据交互，不同场间数据传递，网格匹配等问题。其中信息传递的精度是影响求解准确性的关键因素。

多物理场耦合求解计算量较大，随着计算机性能的提升，多物理场耦合自90年代至今逐步从理论走向实践，但由于计算量较大，当前的多物理场耦合往往还是采取各种形式的简化方法，仍然涉及多种软件、算法以及数据互换的问题。

第六章：海外CAE龙头分析

• ANASYS
  ANSYS成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用，公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和成本意识的产品开发。ANSYS公司和其全球网络的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。据公司官网，ANSYS公司总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，全球拥有60多个代理，1700多名员工，在40多个国家和地区销售产品。
  ANSYS2006年到2020年营收收入稳定增长，CAGR达14.14%，2020年公司实现营业收入16.8亿美元，同比增长10.9%。此外，公司净利润保持稳定增长，从2007年的0.8亿美元增长至2020年的4.3亿美元，净利润翻了5倍，CAGR达到13.68%。2020年公司净利润约4.3亿美元，同比下降3.8%。
  ANSYS提供多种仿真产品满足不同行业需求，集成化的设计环境，实现了结构、振动、热、流体、电磁场、电路、系统、芯片等多域多物理场及其耦合仿真，满足各个行业的仿真需求，帮助使用者提高设计效率和产品性能，降低成本。
  

• Dassault
  Dassault成立于1981年，是一家法国工业软件公司。达索系统公司脱胎于著名的航空制造商达索集团，它在达索集团成立后的很长一段时间力，专注于飞机的研发和制造。达索系统公司主要从事3D设计软件、3D数字化实体模型和产品生命周期管理解决方案，为各行业，提供工业软件系统服务，以及技术支持。
  达索CAE产品主要为SIMULIA。SIMULIA（前身为ABAQUS公司）是世界知名的计算机仿真软件，创立于1978年，其主要业务为著名的非线性有限元分析软件Abaqus进行开发、维护和售后服务，SIMULIA提供了先进的模拟产品组合，可用于多物理、流程集成和优化：Abaqus FEA、fe-safe、Isight、Tosca、Simpack、Simpoe和SIMULIASLM。此外，SIMULIA V5和V6解决方案还允许目前在CATIA V5或V6环境中工作的设计人员和设计工程师执行现实模拟。
• Siemens

西门子是全球最大的工业软件公司之一。西门子于1847年成立，总部位于德国慕尼黑和柏林，其电子与电机产品是全球业界先驱，并活跃于能源、医疗、工业、基础建设及城市业务等领域。目前在全球拥有385000名员工，公司业务遍布190个国家。西门子CAE方面的布局主要是Simcenter，Simcenter是西门子数字化工业软件开发的一个灵活的、开放的且可扩展的仿真预测分析以及测试应用的工具组合，包含系统仿真、多学科CAE仿真、自动驾驶仿真、测试及测试分析软件。

• Altair

Altair是一家全球技术公司，在仿真、高性能计算和人工智能等领域提供软件和云解决方案。公司总部位于美国密歇根州，服务于11000多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。公司的仿真驱动创新方法是由公司的继承软件套件提供的，其通过多个学科优化设计性能，包括结构、运动、流体、热管理、电磁学、系统建模和嵌入式系统，同时还提供数据分析和真实的可视化渲染。Altair在CAE领域的主要产品为HyperWorks，HyperWorks是一个企业级CAE仿真平台解决方案，整合了一系列一流的工具，包括建模、分析、优化等。

• Hexagon

Hexagon AB是一家上市的全球信息技术公司，专注于硬件和软件数字现实解决方案。公司成立于1992年，总部位于瑞典斯德哥尔摩，在英国，意大利，法国，日本、美国、巴西、荷兰和中国均设立有直属机构，通过各地的子公司和经销商网络，产品已遍布超过45个国家，全球装机量实现135000以上。2017年2月2日，Haxagon集团宣布并购MSC软件公司，MSC的CAE产品包括集成解决方案、求解器解决方案、建模解决方案等。

• Autodesk

Autodesk是全球知名的二维和三维设计、工程与娱乐软件公司之一。公司为制造业、工程建设行业、基础设施行业以及传媒娱乐业提供卓越的数字化设计、工程与娱乐软件服务和解决方案。自1982年AutoCAD正式推向市场。Autodesk软件已被用于许多领域，为建筑、工程、施工、制造、媒体、教育和娱乐行业提供软件产品和服务，包括从美国世贸中心到特斯拉电动汽车的项目中。Autodesk主要CAE产品包括Inventor Nastran、Moldflow、Fusion360、Autodesk CFD等。

• ESI

法国ESI集团是世界领先的世界领先的虚拟工程软件及服务供应商，其在虚拟样机方面建树颇高，同时在工业CAE领域也是专家级别的存在。ESI集团成功的关键是使用真实的材料物理特性，提供“真实”的虚拟解决方案，以便替代繁琐的物理样机试错过程。ESI集团的业务逐年持续稳定增长，总部设在巴黎，在全球有近850名专家通过分公司、办事处和代理机构为三十多个国家提供软件销售和技术支持服务。

• ADINA

ADINA主打CAE产品为ADINA。公司创立于1986年，总部位于美国马萨诸塞州。该公司专门致力于开发能够对结构、热、流体及流构耦合、热构耦合问题进行综合性有限元分析的程序—ADINA，从而为用户提供一揽子解决方案。ADINA的客户群遍布全球，包括航空航天、汽车、生物医学、建筑、国防、成型、高科技、机械、核能和石油和天然气行业的大公司，以及许多大学和研究机构。

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