01 全球及中国CAE市场规模

  2021年3月，国家“十四五”规划纲要明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。此后，国家陆续印发了不同领域的“十四五”规划，为各领域如何利用数字孪生技术促进经济社会高质量发展做出了战略部署。“孪生”的概念最早起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”，2003年前后，关于数字孪生(DigitalTwin)的设想首次出现于美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上，直到2010年，“DigitalTwin”一词在NASA的技术报告中被正式提出。2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，重点应用于未来飞行器发展。近年来,随着多学科建模与仿真技术的飞速发展,数字孪生技术研究成为热点，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生在虚拟样机、数字孪生车间、数字孪生工业 、数字孪生卫星、智慧能源、智慧工厂、交通、医疗健康等诸多领域得到成功运用。面向未来网络发展,伴随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展,数字孪生技术也将更广泛地运用于人体活动监控与管理、家居生活和科学研究等领域,使得整个社会走向虚拟与现实结合的“数字孪生” 世界 。

  数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。在数字孪生应用中，CAE作为重要的仿真工具，可以起到“先知”的作用，也是数字孪生领域中非常重要的一环。CAE基于第一性原理为基于物理机理的方法来预测物理世界的未来状态，这使得人们可以在数字孪生体中提前查看产品的运行是否正常、预知故障何时发生以及故障发生的后果。根据数字孪生体反映出的问题，调整产品设计方案或运行策略，直到对预测的结果满意之后再操作物理实体，这种虚拟先行、实体后动的方法，会减少事故发生、降低设计和运行成本、加快产品选代进程，提高产品质量和可靠性。

  CAE经过几十年的发展，在工业领域得到广泛的应用，已成为现代产品设计必不可少的工具之一。根据中商产业研究院研究数据显示，2020年全球CAE市场规模大约81亿美元，预计到2022年将达到97.6亿美元。2020年中国CAE市场规模为18亿美元，预计到2022年将达到22.7亿美元。

图1 全球CAE市场预测

图2 全球CAE市场预测

  从以上数据看出，得益于中国经济和工业快速发展，中国CAE市场规模增速明显高于全球。但另一方面，CAE市场主要还是处于国外技术垄断的局面，尤其是美国占据了全世界大多数CAE市场。CAE三巨头ANSYS、达索、西门子以47%的市占率主导全球市场，中国CAE市场国产化率不足5%，国内企业技术上与国外差距较大。随着全球贸易战越打越激烈，欧美对高端制造技术设置的壁垒越来越多。为了应对国外的技术限制，我国对自主研发的政策支持力度不断加大，近年来国内投入自主CAE软件研发的企业越来越多。

图3 全球CAE市场份额占比结构

  从CAE应用的具体场景看，汽车是目前最主要的应用场景，据marketintellica，2019年全球CAE市场中36%的收入来自汽车行业的应用，其次是电子电气、航空航天及国防，占比分别为 22%、21%。

图4 CAE应用场景占比结构

  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。根据有关数据，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。

图5 全球CAE分类市场结构

  02 CAE行业及国产CAE发展趋势

  随着国内工业迅速发展与国际竞争环境越来越激烈，以及国外对高端工业软件的限制，工业软件国产化已成为一个热门话题，在航天、军工以及中国拥有市场领先优势的高铁、核电等行业，自主可控的国产化软件需求越来越强烈。工业软件国产化需求给国产CAE行业带来了前所未有的市场机遇，预计2022年中国CAE市场规模将达到22.7亿美元，到2025年全球CAE市场规模预计将达到128亿美元。

中国CAE行业产业链上游是软件开发基础设施，如软件求解器、基础软件产品和硬件设备等;中游是软件开发及应用，如CAE软件开发、咨询等;下游是应用领域，包括汽车、工程机械等传统行业，也包括航天等新兴行业。

图6 中国CAE产业链

  CAE应用领域的拓展和巨大的市场空间，给CAE行业带来了前所未有的机遇，同时也对CAE技术发展提出了新的要求，未来，CAE发展将呈现以下趋势。

  CAE与云服务结合

  随着互联网技术快速发展与CAE行业的持续发展，两者将更好的结合，CAE云服务在未来将会成为主要趋势。云计算服务技术已成熟，能够实现CAE仿真求解的过程，用户可以通过上传计算文件、选择求解器等利用云计算平台辅助产品设计分析。

  CAD与CAE深度融合

  从CAE工作流程的来看，仿真过程之前需要创建部件模型和有限元模型以进行前处理。这一过程中，一般的商业CAE软件都提供了CAD功能以供用户对几何模块进行创建、编辑、管理等，但功能较为简单。而复杂的工程问题，其几何模型往往非常复杂，计算工作者更愿意使用专业的几何建模软件(即CAD软件，如AutoCAD、CATIA、Inventor等)来生成此类几何。由此可见，CAD并不是CAE软件的重点，而是CAE软件前处理流程的专业化拓展。但CAE软件中的CAD模块能提高CAE仿真效率，实现对CAD数据的修补，避免外部CAD数据与CAE接口之间的损耗。

  从CAD工作流程来看，仿真是设计过程向下的自然延伸，不少CAD软件同样包含了CAE仿真功能。如PTC的CAD产品Creo能够实现对结构力学、流体力学、热力学等学科的仿真分析;达索的CAD产品Solidworks擅长结构力学中的断裂、耐久性、压力舱、流体力学中的流体膜、电磁学中的电传导等场景下的仿真分析。

  传统意义上设计与仿真界限分明，CAD软件往往通用性质与垂直性质兼具，而CAE软件则更强调行业与场景下的工程问题的解决，分工明确。但随着研发设计即将承担越来越多的职责，尤其是并行工程等概念从提出到落地，研发已经逐渐从最初的注重产品的外在性质到同时关注产品可生产性、物料可采购性、客户需求全面性、产品可维护性以及产品可盈利性等多样特性。

  仿真全流程化、平台化

  传统的CAE仿真常常是针对单一的分析类型独立开展的，但随着CAE技术的成熟和工业设计对CAE的依赖性增长，单一化的CAE仿真分析已不能满足用户需求。多物理场耦合分析已成为工业设计仿真中CAE分析的常规要求，各大CAE厂商也通过自身研发、并购等手段，扩展和补充CAE仿真领域，加强多物理场耦合分析能力。

  伴随着多物理场耦合分析、CAE与CAD融合发展等，CAE仿真不断地延伸到工业设计的上、下游，CAE仿真与试验的相互结合也越来越多，CAE仿真全流程化将是未来发展的趋势。同时，用户对CAE的依赖度越来越高，大量的CAE仿真数据积累，使得CAE数据管理需求增多，CAE仿真流程平台化、数据管理系统化将是CAE发展的一个方向。

图7 CAE平台化、数据管理系统化组成示例

  咨询细分市场发展

  CAE在汽车、航空航天等领域中应用持续深化，越来越多相关制造业企业会对CAE应用有需求，资金少且规模较小的企业预计是未来CAE咨询市场的主要客户。海外大型CAE软件公司如ANSYS、Altair、达索等都已拓展CAE咨询细分市场，这对国内企业也具有示范作用。近几年，国内专注于CAE咨询的公司也越来越多，但由于缺少细分行业专业知识，大多侧重于通用化的CAE分析，对于细分领域的专业深度还不够，细分领域咨询需更多的行业专家的加入，行业专家经验结合CAE技术，才能更好发挥CAE咨询的作用。

  本土标准和规范将逐渐完善

  CAE仿真标准与规范对相关企业发展有重大意义，目前中国在CAE企业相关产品的标准和规范方面还存在一定不足，无法形成规范化的参考，但随着行业发展完善，相关标准和规范也必定会逐渐变得完整。