CAE是“智能制造”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“數(shù)字孿生”等新理念的基礎(chǔ)，在工業(yè)制造中的作用無可替代。
國外CAE軟件發(fā)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(jīng)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史。在1990年代中期便形成了包含眾多單元類型、材料模型及分析功能豐富的軟件產(chǎn)品，并且經(jīng)過了大量工程應用考核和專業(yè)機構(gòu)認證，大型通用商業(yè)軟件的發(fā)展達到頂峰，也正是在這個時期，國外CAE軟件開始大舉進入我國市場。此后十年，到2000年代中期，隨著有限元理論與算法日臻成熟，數(shù)值計算新方法新理論并沒有新的突破，一些關(guān)鍵的CAE軟件技術(shù)難點也沒有太多進步，如ANSYS軟件最后還是通過并購，才解決熱力耦合問題的分析求解。但是，國外商業(yè)CAE軟件在功能上已基本滿足現(xiàn)有工業(yè)設計的需求，因此，這一時期求解器技術(shù)上的發(fā)展并不十分突出，國外CAE軟件的發(fā)展基本上處于鞏固完善和拓展市場階段。最近十年，CAE市場進入了瘋狂并購階段。根據(jù)《知識自動化》的統(tǒng)計，近二十年來僅ANSYS、MSC、達索、ESI和西門子這五家廠商就并購了100多家軟件企業(yè)，其中30多起并購事件發(fā)生在最近三年內(nèi)，可以說CAE近十年來的發(fā)展基本上就是買買買（國外仿真軟件的鯊魚進化史）。在分析能力上并沒有太多新成就，技術(shù)水平提升緩慢，應該說軟件的分析能力發(fā)展不超過20%。
概括而言，國外CAE軟件發(fā)展可分為三個時期，1990年代中期以前為發(fā)展期，該時期主要以軟件技術(shù)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(xiàn)在的十年間為成熟期，各大CAE廠商忙于并購與重組，重新整合市場，在技術(shù)上以通過并購實現(xiàn)橫向擴展為主，縱向提升緩慢，技術(shù)能力處于平臺期，軟件的發(fā)展由核心技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)向概念創(chuàng)新發(fā)展。國內(nèi)CAE軟件的發(fā)展與現(xiàn)狀
國內(nèi)有限元軟件開發(fā)起步并不晚，基本上從1970年代就開始專有程序的研制。近40年來，我國在CAE理論研究和軟件自主開發(fā)方面的努力始終沒有停止過，也有一些擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)脫穎而出，如大連理工大學開發(fā)的JIGFEX、中國飛機強度研究所開發(fā)的HAJIF、中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究所開發(fā)的FEPG、鄭州機械研究所開發(fā)的紫瑞CAE、航空工業(yè)總公司開發(fā)的APOLANS、北京大學力學與工程科學系在美國SAP軟件源碼基礎(chǔ)上開發(fā)的SAP84等等，這些軟件在1990年代中期其分析能力達到了一定水平，甚至在某些方面并不亞于國外同類產(chǎn)品，但后來在國外產(chǎn)品的擠壓下逐漸凋零。
正如同國外CAE軟件的發(fā)展一樣，國內(nèi)CAE軟件也同樣經(jīng)歷了三個時期的發(fā)展，在時間上也十分一致。1990年代中期以前為技術(shù)發(fā)展期，該時期主要以算法理論及程序編制與提升計算性能為主，嚴格意義上說還不能稱之為軟件，只是科研院所為解決科研問題或產(chǎn)品設計中遇到的需要通過計算機模擬的相關(guān)技術(shù)問題而編寫的數(shù)值計算程序，只有參與編寫程序的相關(guān)課題組人員才能熟練使用。它屬于專家科研程序，非一般工程師所能掌握。這一時期國內(nèi)有些行業(yè)的數(shù)值計算程序在某些方面甚至超過了國外商用軟件的水平。
1990年代中期至2000年代中期可以說是國內(nèi)CAE軟件的沉寂期。在這一時期，國外商業(yè)CAE軟件進入穩(wěn)定的商業(yè)化運作期。其軟件已不具備明顯的行業(yè)特性，更加突出了軟件的專業(yè)特性，使得無論是科研機構(gòu)的科研人員還是工業(yè)設計部門的工程師都能夠很便捷地借助國外商業(yè)CAE軟件快速完成課題研究或產(chǎn)品設計，也正是在這一時期，CAE軟件被廣泛應用在裝備和產(chǎn)品的研制過程中，逐漸體現(xiàn)出CAE軟件對制造業(yè)的重要性。在這一時期，得益于政策上的許可，科研結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品設計部門都紛紛引進商業(yè)CAE軟件，逐漸拋棄了操作“原始”的行業(yè)專用程序，這一時期又是老一輩科研人員陸續(xù)退休的時期，原有程序的開發(fā)與維護后繼乏人，也促進了國產(chǎn)CAE軟件的退場。而這一時期則是國外CAE軟件的成長壯大期，在市場營銷上依靠國內(nèi)代理商或經(jīng)銷商向企業(yè)用戶推廣產(chǎn)品，另一方面又采用“盜版傾銷”戰(zhàn)略與向高校提供免費教育版本的方式，在軟件新版本剛推出不久便能將軟件的最新版本送到個人用戶手中，普及了軟件使用操作方法，就這樣多種因素促使了國外CAE軟件迅速占領(lǐng)幾乎整個國內(nèi)CAE市場。這一時期體制外的CAE從業(yè)人員主要從事國外商業(yè)CAE軟件的銷售、培訓、咨詢、二次開發(fā)等工作，幾乎沒有人從事CAE軟件開發(fā)工作?？梢哉f，國內(nèi)CAE軟件自主開發(fā)曾止步于1990年代中初期，到今天為止，國內(nèi)自主CAE軟件的最高水平差不多落后三十年。
2000年代中期至現(xiàn)在的十年間為國內(nèi)CAE軟件商業(yè)化運作萌芽期。國外商業(yè)CAE軟件經(jīng)過十多年在中國市場的開拓，基本上占領(lǐng)了國內(nèi)絕大部分CAE市場，涉及各個行業(yè)領(lǐng)域。當然，國外商業(yè)軟件功能再強大，也不可能完全滿足國內(nèi)生產(chǎn)、制造、建設中遇到的所有仿真需求，這逐步促生了CAE軟件定制化開發(fā)服務，開啟了國內(nèi)CAE軟件的市場化道路。從市場化進程而言，相比國外1960年代中期開始成立商業(yè)化CAE公司，我國商業(yè)化CAE軟件開發(fā)要落后四、五十年。
圖2 國內(nèi)外CAE發(fā)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，主要精力在橫向擴展，在技術(shù)深度上發(fā)展緩慢。這是我國自主CAE軟件發(fā)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(xiàn)超越。
國內(nèi)外CAE軟件的差距分析
以有限元方法為主的CAE技術(shù)就是為工程問題的數(shù)值模擬分析而提出的，自誕生之日起就一直服務于工程問題的，具有很強的工程應用背景。但是，由于歷史上體制的原因，國內(nèi)外CAE技術(shù)的發(fā)展走了不同的道路。國內(nèi)在計劃體制年代，為促進各行業(yè)發(fā)展，各行業(yè)基本都成立有獨立的研究院所（如航空企業(yè)基本是一廠一所的模式，航天企業(yè)也基本都是廠、所結(jié)合模式），以解決本行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中遇到的各類問題，研究成果直接服務于本行業(yè)生產(chǎn)，研究經(jīng)費是國家投入的，因此對于本行業(yè)的服務也都是無償?shù)?，在一定時期、一定程度上極大地推動了國內(nèi)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)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(fā)展了相關(guān)數(shù)值計算理論、編寫了相關(guān)數(shù)值計算程序，解決了不計其數(shù)的工程問題，取得了舉世矚目的成就。
模式可以說基本延續(xù)到1990年代中初期，這個時期的主要特點是技術(shù)研究與工程設計不分開，技術(shù)研究成果直接服務于工程設計，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(shù)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、編寫計算程序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，于是單獨成立一個小組設計、制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，也無意中筑起了行業(yè)之間在計算機數(shù)值模擬方面巨大的技術(shù)壁壘。計算程序基本都是行業(yè)內(nèi)部解決具體問題專用的，甚至行業(yè)內(nèi)部本身都沒有把專用計算程序整合成行業(yè)內(nèi)部通用程序，行業(yè)之間更無從談起計算程序的適用性。
雖然在計劃體制時代計算機數(shù)值模擬為工業(yè)的生產(chǎn)制造發(fā)揮了巨大作用，但計算機數(shù)值模擬的發(fā)展卻一直伴隨著體制內(nèi)“重硬輕軟”的普遍觀念，相關(guān)科研項目經(jīng)費少得可憐，最大的經(jīng)費開支就是計算機和打印機。甚至普遍觀念的是，做數(shù)值計算基本不需要科研經(jīng)費。
國外商用CAE的進入，從兩個維度上，改變了中國的規(guī)則。
1990年代初期國外商用CAE軟件進入國內(nèi)市場后，極大地擴展了計算機數(shù)值模擬相關(guān)項目科研經(jīng)費的使用空間，申請項目也可以名正言順地“索要高價”了，可以說，國外商用計算分析軟件（包括CAE軟件）進入國內(nèi)市場為國內(nèi)數(shù)值模擬研究項目開啟了新的篇章。在經(jīng)費方面，縮短了“軟、硬”之間的差距，無形中提升了“軟”項目的重要程度；在使用方面，國外商用軟件有非常方便的圖形化前后處理界面，，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?？梢哉f，數(shù)值模擬研究，從刀耕火種的“農(nóng)業(yè)時代”進入到了機械化作業(yè)的“工業(yè)時代”。
另一方面，國外商用CAE軟件的大量使用，逐步減輕了工業(yè)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仿真分析職能。然而，也正是因為國外商用CAE軟件的大量使用，使得科研院所在CAE理論、算法、程序設計與實現(xiàn)等等當時并不落后的諸多方面逐步弱化，甚至逐漸失去了造血能力，致使國內(nèi)CAE技術(shù)停滯不前出現(xiàn)了十年沉寂期。直至現(xiàn)在，眾多高校本該教授有限元理論與技術(shù)以及編程的課程無一例外地都捆綁了一個具體的國外CAE軟件名稱，變成了“有限元理論與××軟件”。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軟件，學生則只需利用該CAE軟件完成一個大作業(yè)即可完成課程學習。
國產(chǎn)CAE再次挺進大別山
國內(nèi)自主CAE領(lǐng)域市場化進程，始于2000年代中期，主要面向國外商業(yè)CAE軟件覆蓋不到的邊緣領(lǐng)域，多以定制化服務為主，鑒于國外CAE軟件的強大實力，鮮有以自主CAE軟件開發(fā)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(fā)自主CAE軟件產(chǎn)品，但迫于急于掙快錢的風投壓力不得不依賴大量服務項目獲取盈利，致使產(chǎn)品研發(fā)進展緩慢。近十年來國內(nèi)自主CAE軟件的市場化道路并不順利，基本上屬于小打小鬧成不了氣候，即使有自主CAE軟件產(chǎn)品，其水平與功能也未必能超過國外1980年代初期的產(chǎn)品。
中國CAE的主要差距，不完全在技術(shù)本身，而在于將其從科學計算程序，轉(zhuǎn)向軟件工程。從分散在各行業(yè)內(nèi)部的CAE相關(guān)程序的水平看，差距有二三十年；但如果從CAE軟件的商業(yè)化進程看，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軟件實力強大無法抗衡外，還存在以下幾方面內(nèi)因：
1、缺乏資金支持
公司多為個人籌資建立，資金有限，一般只能維持一到兩年運行，因此必須依靠承接相關(guān)項目以獲得經(jīng)費支持；
2、無力潛心研發(fā)
公司依靠承接項目維持運營直接導致開發(fā)人員疲于應付項目而無暇顧及產(chǎn)品持續(xù)研發(fā)；
3、技術(shù)積累單薄
。研發(fā)團隊技術(shù)積累有限，多為研發(fā)人員在工作中或讀學位期間自己編寫的相關(guān)程序，功能單一并且不系統(tǒng)，可利用價值很低，基本上是零起點開發(fā)；
4、缺乏成果轉(zhuǎn)化
國內(nèi)積累下來的較為系統(tǒng)的行業(yè)CAE程序集中在各類科研院所內(nèi)部，CAE開發(fā)團隊因為政策與資金兩重原因而無法獲得科研院所的CAE程序成果轉(zhuǎn)化，更加降低了國內(nèi)自主CAE開發(fā)的起點；
5、程序員工資低
資金缺乏導致開發(fā)人員工資待遇較低，在互聯(lián)網(wǎng)軟件、游戲、移動APP開發(fā)人員高工資的沖擊下，很難留住高水平開發(fā)人員從事CAE軟件開發(fā)；
6、人才流失海外
國外CAE軟件公司中，有為數(shù)不少的大陸華人從事CAE軟件開發(fā)工作，同時也有很多國外CAE軟件公司在大陸成立研發(fā)中心，直接聘用國內(nèi)CAE求解器及前后處理器研發(fā)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，沒有什么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軟件本質(zhì)是科學計算，表象是軟件，應用領(lǐng)域在工業(yè)，也導致上屬主管主抓關(guān)系沒有很好理順，近乎三不管地帶；
8、應用生態(tài)缺失
國產(chǎn)商業(yè)CAE軟件市場占有率極低，導致國產(chǎn)CAE軟件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(tài)建立不起來，缺乏客戶應用的反饋意見。
那么，如何填補我國自主可控CAE軟件空白，在“智能制造”、“兩化深度融合”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”轟轟烈烈蓬勃發(fā)展的大潮中，尋找工業(yè)仿真軟件的發(fā)展之路？。
國內(nèi)CAE軟件發(fā)展的可行途徑
專家指出，商業(yè)化開發(fā)是軟件生命力的重要保證，國外CAE軟件的發(fā)展也證實了商業(yè)化開發(fā)是促進軟件開發(fā)良性循環(huán)的最佳途徑，可以突破行業(yè)壁壘，將共性技術(shù)廣泛應用到眾多行業(yè)，減少低水平重復與內(nèi)耗，另外，商業(yè)化開發(fā)可以有效實現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)，不因人員流動而影響軟件的發(fā)展。
國外CAE軟件都是依靠長期技術(shù)積累發(fā)展起來的，除了本公司的技術(shù)積累，企業(yè)并購也是技術(shù)積累的重要組成。細數(shù)國際上具有一定市場競爭力的CAE軟件，都有幾十年的歷史，沒有一個新興企業(yè)做出功能完善、分析結(jié)果可靠的CAE軟件產(chǎn)品，可從一個側(cè)面說明CAE軟件開發(fā)道路漫長、路途艱辛。CAE軟件開發(fā)沒有長期的技術(shù)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，那只能是站在前人肩上，將散列在各行業(yè)研究院所、高校中三十年前并不落后的各種工程分析計算程序進行成果轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)上消化吸收、篩選整合、改寫重構(gòu)，短期內(nèi)將原有基礎(chǔ)扎實利用起來，然后逐步補齊短板向國際知名CAE軟件看齊。
國外CAE軟件的成長壯大基離不開政府的長期扶持。CAE軟件具有極其重要的戰(zhàn)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(zhàn)略投資計劃投資了眾多科學計算基礎(chǔ)設施，實施了大量產(chǎn)業(yè)培育舉措，這是CAE產(chǎn)業(yè)最早在美國得到蓬勃發(fā)展的一個重要因素。在國家戰(zhàn)略層面，美國也確實是把科學計算和建模仿真作為服務于國家利益的關(guān)鍵技術(shù)，從未停止過投資。
國外CAE軟件也是在企業(yè)的伴生下成長起來的。美國工業(yè)軟件的巨大成功，離不開工業(yè)巨頭的撫養(yǎng)，也得益于其知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)換機制（成果轉(zhuǎn)化）。美國CAE軟件巨頭MSC在1971年獲得了美國國家航空航天局（NASA）Nastran程序的開發(fā)授權(quán)，并對Nastran改良后推出了MSC?Nastran，成為美國仿真軟件的鼻祖，并作為NASA的主要供應商一路迅猛發(fā)展，奠定了行業(yè)龍頭位置。ANSYS作為美國CAE軟件的另一個巨頭，其發(fā)展則得到了美國西屋電器的“深情支持”。
總結(jié)為一句話，在政府扶持、企業(yè)伴生下，矢志不移長期潛心研發(fā)，通過商業(yè)化運維，在市場哺育下發(fā)展是CAE軟件成長壯大的成功之路。
為加快我國CAE軟件快速發(fā)展，其它領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗值得借鑒，二十一世紀以來，我國在高鐵、航母、計算機操作系統(tǒng)等方面取得了快速發(fā)展，為國產(chǎn)CAE的發(fā)展提供了很好的范式：
1、高鐵模式
高鐵的核心技術(shù)并不是我們的原始創(chuàng)新，但是根據(jù)我們地域廣闊、東西、南北跨度巨大的現(xiàn)狀，解決了東北與西北的高寒、南部的濕熱、西北的高海拔以及沙漠戈壁風沙等嚴酷環(huán)境的適應問題，在很短的時間內(nèi)使我國的高鐵技術(shù)成為國際上最先進的高速鐵路技術(shù)。對于CAE軟件而言，出資并購國外CAE軟件開發(fā)公司，引進關(guān)鍵技術(shù)，消化吸收轉(zhuǎn)化為自主可控技術(shù)，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”改建于蘇聯(lián)未建造完成的“瓦良格”號，實現(xiàn)了我國航母零的突破?！巴吡几瘛碧栐O計定型于1982年。中國在2002年3月將“瓦良格”號。之后，歷經(jīng)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(fā)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(fā)或從國外引進的CAE分析源程序，如SAP5、Dyna2D、Dyna3D等，這些程序在國外商業(yè)CAE軟件形成壟斷之前曾經(jīng)發(fā)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(fā)展的，重新開發(fā)也不能跨越這些源程序形成的基礎(chǔ)，將這些代碼消化吸收、改進重構(gòu)快速形成自主CAE求解器的雛形，在此基礎(chǔ)之上逐步開發(fā)補充功能模塊，縮短與國外CAE軟件的差距，這無疑又是可行捷徑之一。
3、操作系統(tǒng)模式
基于開源的Linux操作系統(tǒng)，通過消化吸收，根據(jù)實際需求與國內(nèi)用戶特點，注重系統(tǒng)的安全性能，定制研發(fā)了自主可控的國產(chǎn)操作系統(tǒng)：麒麟。如新近完成首次中修改造的遠望5號船上信息設備基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，麒麟操作系統(tǒng)得到廣泛應用。
目前互聯(lián)網(wǎng)上有許多開源的CAE軟件求解器，其中不乏優(yōu)秀的開源CAE求解器，對于技術(shù)積累比較薄弱的國內(nèi)CAE軟件開發(fā)狀況，在開源CAE軟件基礎(chǔ)上進行消化吸收并加以利用不失為一種可行之策。但是必須在開源協(xié)議許可的框架下進行，如果進行商業(yè)化還必須付出一定費用。如果真正消化吸收并轉(zhuǎn)化重構(gòu)為自主產(chǎn)品需要投入大量精力，另外，開源軟件畢竟與商業(yè)軟件尚有一定差距，也很難短期內(nèi)形成競爭力。但作為長期的人才培養(yǎng)，和解決局部問題的努力，仍然非常具有價值。
對于國產(chǎn)自主可控CAE軟件而言，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(guān)終屬楚；苦心人，天不負，臥薪嘗膽，三千越甲可吞吳”。國家政策方面已逐步開始重視工業(yè)軟件的開發(fā)，許多“數(shù)值水池”、“數(shù)值風洞”等大型工業(yè)軟件開發(fā)項目也紛紛啟動，民間資金也在躍躍欲試，工業(yè)軟件正在面臨著一個大好的局面，打破工業(yè)仿真模擬軟件“無可替代”的窘迫局面，或許可以重新期待。
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