2022年CAE行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展歷程研究

1、2022年CAE行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展歷程研究1.CAE具備極高的技術(shù)壁壘，是物理和數(shù)學(xué)的結(jié)晶CAE是制造業(yè)核心工業(yè)軟件之一。計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是廣泛應(yīng)用于工業(yè)和制造業(yè)仿真和模擬的工業(yè)軟件，與CAD、CAPP與CAM并稱為計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)。相比于CAD側(cè)重于建模和設(shè)計(jì)，CAE主要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題。CAD負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，是基礎(chǔ)；CAE負(fù)責(zé)驗(yàn)證產(chǎn)品性能，一樣不可或缺。CAE把工程的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來,使其產(chǎn)生并存在于工程的整個(gè)生命周期，例如CAE仿真在整個(gè)電動(dòng)汽

2、車制造中，從電池、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、熱管理、車燈、防碰撞等各個(gè)環(huán)節(jié)均能提升研發(fā)設(shè)計(jì)能力，大幅節(jié)省研發(fā)成本和周期。CAE的核心思想是離散化后的模型求解。CAE的首要核心是結(jié)構(gòu)的離散化，即將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，將復(fù)雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形式簡(jiǎn)單的子區(qū)域，通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量簡(jiǎn)化為求解有限的單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量值，最終得到滿足工程精度的近似結(jié)果。基于此，CAE工作流程主要有三步：前處理、有限元分析、后處理。前處理主要是建立符合要求的模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以及物理屬性和條件邊界的設(shè)置；有限元分析核心就是對(duì)模型的求解，盡力“精確”地把握和還原真實(shí)物理現(xiàn)象；后處理主

3、要是將輸出結(jié)果圖形可視化，給出評(píng)估、評(píng)判“生產(chǎn)過程”好壞的標(biāo)準(zhǔn)。CAE分為通用和專用軟件，整個(gè)體系涉及多個(gè)模塊，且子系統(tǒng)也具備獨(dú)立的軟件。CAE是多門類基礎(chǔ)科學(xué)集大成者，具備極高的技術(shù)壁壘。一款成熟的CAE軟件需要多門基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)長(zhǎng)期的積累，包括數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、工程知識(shí)等，對(duì)人才綜合能力要求極高。數(shù)學(xué)方面：前處理中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型修復(fù)、網(wǎng)格剖分；后處理的大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理、可視化展示等，包括優(yōu)化理論等各種數(shù)值計(jì)算方法，各種數(shù)學(xué)工具是基礎(chǔ)。物理場(chǎng)方面：流體、電磁、光、聲等每種物理場(chǎng)都包含豐富的分支學(xué)科，CAE的求解器由物理算法組成，每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都有大量求解算法，不同領(lǐng)域完全不同，無法復(fù)用；以結(jié)

4、構(gòu)為例，力學(xué)方面就涉及到理論力學(xué)，分析力學(xué)，材料力學(xué)等一系列學(xué)科；而產(chǎn)品也會(huì)涉及多個(gè)物理場(chǎng)的組合，需要深刻理解相互干擾的多物理場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)快速解耦和優(yōu)化。計(jì)算機(jī)科學(xué)：包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，軟件工程等學(xué)科，尤其是從大型機(jī)演繹到今天的云計(jì)算，不斷以提升系統(tǒng)算力和穩(wěn)定性，以加快求解的時(shí)間。同時(shí)，不同軟件數(shù)據(jù)、模型相互兼容，也是提升效率的重要一環(huán)。工程知識(shí)：工程界的建模與分析，融合了眾多不同維度的學(xué)科知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，涉及大量的工藝Know-how過程。大量的制造經(jīng)驗(yàn)需要變成算法、編碼，固化到軟件中，每一處經(jīng)驗(yàn)的凝結(jié)也需要長(zhǎng)期不斷反饋的積累，工業(yè)軟件集其大成。2.市場(chǎng)空間：CAE應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)保持穩(wěn)定增

5、長(zhǎng)CAE價(jià)值不斷強(qiáng)化，已在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。CAE軟件通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工程、物品進(jìn)行仿真模擬，能夠大幅降低設(shè)計(jì)和材料成本，縮短設(shè)計(jì)周期；通過“虛擬樣機(jī)”來驗(yàn)證可靠性，并提前預(yù)判潛在問題；模擬各種試驗(yàn)方案；進(jìn)行事后驗(yàn)證分析等，是工業(yè)領(lǐng)域必不可少的一環(huán)。CAE目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、半導(dǎo)體、電子設(shè)備、建筑等領(lǐng)域，其中航空航天和汽車依然是最大的應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)CAE市場(chǎng)增速快于全球水平。CAE軟件對(duì)于推動(dòng)工業(yè)制造及工程的升級(jí)和發(fā)展至關(guān)重要，隨著各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用深入，以及光學(xué)等新興領(lǐng)域的進(jìn)入，全球CAE市場(chǎng)整體保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)達(dá)到81億美元，復(fù)合增速達(dá)到12.81%。我國(guó)CAE市場(chǎng)仍

6、以國(guó)外產(chǎn)品采購(gòu)為主，2020年達(dá)到18億元，復(fù)合增速為16.2%，高于全球水平。CAE領(lǐng)域全球巨頭林立。經(jīng)過高端制造業(yè)持續(xù)的發(fā)展積累以及長(zhǎng)期并購(gòu)，全球CAE龍頭廠商已呈現(xiàn)清晰格局，主要玩家有美國(guó)ANSYS、MathWorks、德國(guó)西門子、法國(guó)達(dá)索、Altair、Hexagon等廠商。CAE兼顧軟件及工程學(xué)、物理學(xué)等復(fù)雜技術(shù)，整體壁壘較高，市場(chǎng)形成了較為穩(wěn)定的格局。我國(guó)CAE廠商與國(guó)際廠商仍有較大差距，但是在持續(xù)政策推動(dòng)下，航空航天、高端制造等領(lǐng)域有望率先突破。3.發(fā)展歷程：CAE歷經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展進(jìn)入并購(gòu)階段CAE起源于航空航天領(lǐng)域，國(guó)外巨頭已進(jìn)入并購(gòu)階段。計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算起源于50年代中期，CA

7、E軟件誕生于70年代中初，隨后CAE的功能和算法不斷完善，80年代中期已逐步形成了商用的CAE軟件。20世紀(jì)60年代，有限元理論處于發(fā)展階段，CAE最早的需求來自美國(guó)航空航天局NASA，當(dāng)時(shí)為了解決宇航工業(yè)對(duì)于結(jié)構(gòu)分析的問題。隨后世界幾大CAE巨頭陸續(xù)成立，如MSC、SDRC、ANSYS，致力于商業(yè)化的研究和落地。70年代后，CAE技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，巨頭持續(xù)提升技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用，并開啟商業(yè)化；同時(shí)一大批新CAE廠商成立，各廠商技術(shù)和行業(yè)側(cè)重各不相同，呈現(xiàn)百花齊放狀態(tài)。90年代后，CAD的發(fā)展為CAE技術(shù)提升進(jìn)一步打下基礎(chǔ)，CAE軟件也開始積極與CAD對(duì)接接口，進(jìn)一步擴(kuò)展CAE功能；CAE巨頭加大

8、市場(chǎng)拓展，持續(xù)壯大成熟。21世紀(jì)開始，國(guó)際CAE巨頭開啟并購(gòu)重組，通過收購(gòu)來實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展并整合市場(chǎng)，如ANSYS通過并購(gòu)，最終解決熱力耦合問題的分析求解，當(dāng)前CAE市場(chǎng)主要由Ansys，DassultSystems，Altair，MSC，西門子等廠商壟斷。Ansys是全球CAE龍頭，高壁壘構(gòu)筑穩(wěn)健成長(zhǎng)性。Ansys是全球最大的CAE廠商，持續(xù)專注于仿真技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋結(jié)構(gòu)、流體、電磁、光學(xué)、3D設(shè)計(jì)、嵌入式軟件等各個(gè)細(xì)分，解決方案也覆蓋航天航空、國(guó)防、汽車、能源、醫(yī)療等各領(lǐng)域，全球市場(chǎng)份額最大，是名副其實(shí)的全球龍頭。Ansys的誕生來自JohnSwanson博士在西屋工作時(shí)創(chuàng)立的一套有

9、限元分析程序，1970年Ansys成立并開啟商業(yè)化，而西屋核電公司也成為Ansys第一個(gè)客戶。2002年Ansys推出7.0版本，其中Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題，是公司發(fā)展的里程碑。Workbench以簡(jiǎn)單易用而著稱，ANSYS提供各類與仿真相關(guān)API以及用戶自己的API可以在Workbench環(huán)境下集成，形成應(yīng)用程序，所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作。例如，Ansys將收購(gòu)的LS-DYNA集成進(jìn)入ANSYSWorkbench環(huán)境。Ansys的產(chǎn)品能與多數(shù)CAD軟件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，綜合來看，An

10、sys已經(jīng)成為最經(jīng)典的CAE工具。憑借極強(qiáng)的技術(shù)壁壘，以及近些年持續(xù)的收購(gòu)擴(kuò)張，Ansys整體保持了穩(wěn)定的增長(zhǎng)。2021年，Ansys實(shí)現(xiàn)收入19.07億美元，近10年復(fù)合增速達(dá)到10.16%；凈利潤(rùn)4.55億美元，復(fù)合增速9.38%。毛利率長(zhǎng)期維持在86%以上，凈利率長(zhǎng)期保持在23%以上。Ansys在國(guó)內(nèi)也占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額，在中國(guó)有100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件，為Ansys在國(guó)內(nèi)的普及打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。并購(gòu)擴(kuò)張是巨頭必經(jīng)之路。自2000年以來，Ansys開啟了并購(gòu)之路。如2006年Ansys收購(gòu)Fluent，F(xiàn)luent應(yīng)用先進(jìn)的CFD（計(jì)算流體

11、動(dòng)力學(xué)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體、熱、傳導(dǎo)等方面的仿真，奠定了Ansys在計(jì)算流體力學(xué)的地位。2008年，Ansys收購(gòu)EDA廠商Ansoft，拓展了公司在集成電路、機(jī)械電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。Ansys最強(qiáng)勢(shì)的產(chǎn)品之一LS-DYNA也是在2019年收購(gòu)而來。近兩年收購(gòu)來看，Ansys加強(qiáng)了光學(xué)仿真和航空航天的布局，尤其是光學(xué)領(lǐng)域，連續(xù)收購(gòu)了Lumerical和Zemax，致力于實(shí)現(xiàn)完整的端到端光學(xué)仿真解決方案。以Ansys為例，包括達(dá)索、Altair等CAE巨頭均是通過不斷的收購(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品線的持續(xù)擴(kuò)張，因此也充分驗(yàn)證了CAE在各個(gè)細(xì)分工業(yè)領(lǐng)域里均需要深厚的know-how積累。各巨頭也紛紛形成了結(jié)構(gòu)、流體、多

12、體、電磁全系列CAE產(chǎn)品矩陣，且每家均有一些拳頭產(chǎn)品，形成了較強(qiáng)的技術(shù)和市場(chǎng)壁壘。4.國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)市場(chǎng)亟待突破，霍萊沃從電磁仿真開始國(guó)內(nèi)CAE在工業(yè)軟件中差距最大，國(guó)產(chǎn)廠商仍在起步期。我國(guó)工業(yè)軟件中，以研發(fā)設(shè)計(jì)類的CAD、CAE、EDA與國(guó)外差距最大，尤其CAE領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)前十大廠商中沒有一家是國(guó)產(chǎn)廠商。雖然在90年中期，我國(guó)憑借技術(shù)研究和工程設(shè)計(jì)的深度融合，也形成了不亞于國(guó)外的仿真程序，并取得了顯著成就；但是難以整合成行業(yè)通用程序，更無法進(jìn)一步提升適用性，最終阻礙了國(guó)產(chǎn)CAE的發(fā)展。如今，國(guó)外CAE軟件覆蓋范圍廣、功能完善，并逐漸在數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)上與其上下游產(chǎn)品打通，形成CAD/CAE/CA

13、M/PDM一體化綜合軟件平臺(tái)。而我國(guó)CAE行業(yè)雖然近年來有明顯發(fā)展，但是通用CAE產(chǎn)品在自主化、產(chǎn)品化、集成化和規(guī)?；先杂酗@著差距；專用CAE產(chǎn)品在覆蓋度、成熟度、易用性上仍有較大差距?；羧R沃長(zhǎng)期堅(jiān)持CAE領(lǐng)域研發(fā)積累。公司堅(jiān)持自主研發(fā)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真分析軟件，實(shí)現(xiàn)了基于真實(shí)物理環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真分析，突破了三維復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)級(jí)仿真技術(shù)，解決了各種裝備平臺(tái)在實(shí)際電磁環(huán)境的電磁效應(yīng)特性仿真分析問題。公司復(fù)雜電磁環(huán)境仿真技術(shù)已經(jīng)先后應(yīng)用于嫦娥探月工程著陸器與巡視器通信鏈路仿真、機(jī)載天線布局仿真、大型艦載相控陣系統(tǒng)仿真等多個(gè)電磁仿真項(xiàng)目，已積累了大量電磁CAE技術(shù)和高規(guī)格項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。以Ans

14、ysHFSS為目標(biāo)，霍萊沃電磁CAE未來可期。電磁CAE廣泛應(yīng)用于無線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體、天線等領(lǐng)域，隨著我國(guó)5G快速發(fā)展，以及軍工信息化持續(xù)升級(jí)，電磁CAE需求與日俱增。全球最知名的三大電磁CAE分別為AnsysHFSS、AltairFEKO、達(dá)索CST，也是各巨頭通過并購(gòu)而來。主流的電磁CAE算法如有限元法（FEM）、有限時(shí)域有限差分（FDTD）、有限積分法（FIT）、矩量法（MOM）等，在各自場(chǎng)景均有自己的優(yōu)勢(shì)。以AnsysHFSS為例，其已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)廠商目前無論是產(chǎn)品技術(shù)，還是應(yīng)用范圍與國(guó)外廠商仍有巨大差距；目前霍萊沃主要深耕于國(guó)防科工領(lǐng)域，也是電磁CAE主要場(chǎng)景之一。公司持續(xù)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用于5G場(chǎng)景下系統(tǒng)級(jí)三維復(fù)雜環(huán)境仿真平臺(tái)軟件，同樣也是基于FEM算法，結(jié)合公司創(chuàng)始人具備Ansoft相關(guān)背景經(jīng)驗(yàn)，公司CAE產(chǎn)品有望持續(xù)向HFSS邁進(jìn)?；羧R沃發(fā)布三維電磁仿真軟件RDSim1.0版。基于自主研發(fā)的內(nèi)核，以及十余年來在電磁場(chǎng)仿真領(lǐng)域積累的工程經(jīng)驗(yàn)，公司首次正式發(fā)布基于云計(jì)算以及WEB交互技術(shù)的通用CAE電磁仿真軟件