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1、计算机正文目录CAE 的本质是物理学/数学+计算机科学+工程学.3CAE 基本概念：CAE 主要模块包括前处理、求解器和后处理.3CAE 本质：物理学/数学+计算机科学+工程学 .5CAE 底层是物理学+数学.6CAE 中层是计算机科学.7CAE 外层是工程学 .8CAE VS CAD：互相包含又各有专攻.8CAE 的核心能力在于仿真，应用方式因行业而异.9软件视角：CAE 的核心能力在于仿真.9工程视角：CAE=计算机软件+工程工作流.10行业视角：CAE 仿真在不同行业的应用 .11海外 CAE 行业发展成熟，国内厂商加速发展 .14探索时期：CAE 技术萌芽（1960-1970s）.14
2、快速发展时期：CAE 软件涌现（1970-1990s） .14成熟阶段：CAE 软件百花齐放（1990 年至今）.15国产 CAE 厂商加速发展.15全球 CAE 市场规模约数十亿美元，产品可用性是关键驱动因素 .19全球 CAE 市场规模约 80.2 亿美元.19市场驱动力：产品可用性是关键因素 .21计算机软硬件能力提升拓宽 CAE 能力边界.21CAE 产品逐步降低“人”因素的影响 .27仿真效果逐步优化 .29海外 CAE 龙头多为老牌工业劲旅，国内 CAE 厂商各具特色 .32海外 CAE 厂商梳理.32Ansys .32Dassault .33Siemens（西门子）.33Alta
3、ir.34Hexagon.34Autodesk .34ESI .34ADINA .35国内 CAE 厂商梳理.35风险提示.39免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。2-计算机CAE 的本质是物理学/数学+计算机科学+工程学CAE 基本概念：CAE 主要模块包括前处理、求解器和后处理CAE 即计算机辅助设计（Computer Aided Engineering），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
4、动力学（CFD）、多体动力学（MBD）、耐久性和优化等。图表1： CAE 主要指用计算机对工程和产品性能进行模拟分析资料来源：CSDN、华泰研究从 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（大多为有限元分析）、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。图表2： CAE 软件由用户界面、数据管理系统、数据库、专家
5、系统和知识库五大模块组成资料来源：计算机辅助工程（CAE）技术及其应用，徐毅，2003、华泰研究我们认为，工业软件与工业流程一一对应：有什么样的工业流程，就有什么样的工业软件；有什么样先进的工业流程，就有什么样先进的工业软件。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。3-计算机图表3： CAE 在工业流程中所处的对应位置资料来源：CSDN、华泰研究从核心工作流程来看，CAE 软件仿真过程包括前处理、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果设计进行修
6、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。图表4： CAE 各个环节概览资料来源：CSDN、仿真秀官网、华泰研究前处理过程来看，前处理模块的主要用于对工程或产品进行建模，完成分析数据的输入，建立合理的有限元模型。具体来说，前处理模块主要功能包括给实体建模与参数化建模、构件的布尔运算、单元自动剖分、节点自动编号与节点参数自动生成、载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入、节点载荷自动生成、有限元模型信息自动生成等。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。4-计算机求解过程来看，以有限元分析模块为例，主要流程包括对有限元模型进行单元特性分析、有限
7、元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。一般而言有限元分析模块有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。按照对象的物理、力学和数学特征，求解过程可以分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。后处理过程来看，后处理模块主要基于求解分析结果，以图形方式向用户展示仿真结果。具体而言，后处理模块主要功能包括对求解分析结果进行数据平滑、对各种物理量进行加工和显示、对工程或产品设计要求的数据检验和工程规范进行校核、设计优化与模型修改等。图表5： CAE 后处理过程结果展现形式举例资料来源：CSDN、华泰研究CAE 本质：物理学/数学+计算机科学+工程
8、学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。图表6： CAE 软件本质：物理学/数学+计算机科学+工程学资料来源：CSDN、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。5-计算机CAE 底层是物理学+数学软件内层来看，物理学和数学是 C
9、AE 软件的真正核心。1）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（Meshfree）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（F
10、EM）应用范围最广也最为常见。图表7： CAE 仿真阶段结构离散化过程用到的数学求解方法资料来源：Ansys 官网、华泰研究以有限元分析为例，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。图表8： 有限
11、元问题的根基是数值求解偏微分方程资料来源：COMSOL 官网、华泰研究2）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、塑性力学、振动力学、疲劳力学、断裂力学等一系列特定规则。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。6-计
12、算机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理论、流体动力学模拟、电动力学应用、计算电磁场、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。图表9： CAE 仿真过程需要考虑多物理场耦合问题资料来源：Ansys 官网、华泰研究CAE 中层是计算机科学CAE 软件中层来看，计算机科学是连接底层算法和外层工程学应用
13、的纽带。CAE 同其他工业软件一样，其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、有限元模型、后处理器、求解器、图形、公共模块、高性能计算（HC）、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 3 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
14、仿真过程以及在后处理中提供计算机图形处理和展示。图表10： CAE 软件中层是计算机科学资料来源：CSDN、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。7-计算机CAE 外层是工程学CAE 软件外层来看，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、服务与工业流程，还需要经过工程学的淬炼。1）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
15、初就对工程工作流有深刻的思考。2）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。图表11： CAE 软件外层是工程学资料来源：CSDN、华泰研究CAE VS CAD：互相包含又各有专攻CAE 与 CAD 的关系可以简要概括为互相包含又各有专攻。CAD 即计算机辅助设计，重点在于设计；CAE 即计算机辅助工程，重点在于仿真。1） 从 CAE 工作流程的
16、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。2）从 CAD 工作流程来看
17、，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。3）发展趋势来看，CAE 与 CAD 有望趋于融合。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（ConcurrentEngineering，CE）等
18、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。8-计算机CAE 的核心能力在于仿真，应用方式因行业而异软件视角：CAE 的核心能力在于仿真仿真（Simulation）也称模拟，就是对现有或未来系统进行建模并试验研究的过程，按模拟对象可以分为离散事件模拟与连续模拟。CAE 仿真即用于模拟零件、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、方案比较等等。图表12
19、： 仿真能力在制造业中的应用类型资料来源：CSDN、华泰研究仿真过程的关键在于将现实转化为仿真模型，CAE 软件为这一过程提供软件支持。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；但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。CAE 软件提供了两种解决方式：1）供给端：一款优秀的商用 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。2）需求端：企业可以
20、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。图表13： 仿真过程的关键在于将现实转化为仿真模型资料来源：Ansys 官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。9-计算机CAE 仿真通过指导设计、解放试验大大缩短了工业产品开发周期，节省研发设计费用。1）设计角度来看，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
21、导了设计，其中价值主线实质上来自于仿真的数据结果。2）试验角度来看，准确的虚拟仿真可以有效降低试验成本。传统设计过程后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即可进行量产。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。图表14： CAE 仿真缩短产品开发周期、节省费用资料来源：CSDN、华泰研究工程视角：CAE=计算机软件+工程工作流从工程角度来看，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
22、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。从软件角度来看，CAE 在产品不同生命周期中提供仿真分析能力支持。具体而言，产品生命周期不同阶段对 CAE 软件的仿真需求也有所不同：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
23、件可以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 仿真分析：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、制造上是否可行，已有的加工设备是否满足结构设计要求（譬如板厚及半径等），
24、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。10-计算机3）试验阶段的 CAE 仿真分析：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。
25、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 仿真分析：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。图表15： CAE 在产品不同生命周期中提供仿真分析能力支持资料来源：CSDN、华泰研究行业视角：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，C
26、AE 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。因此，CAE 的应用不可一概而论，需要结合不同行业的实际情况进行讨论。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。11-计算机图表16： CAE 在不同行业的应用需要克服领域内特异性问题资料来源：CSDN、华泰研究航空工业来看，CAE 在航空工业中的应用可以概括为三个层面
27、：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
28、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；电气设备效率和安全性分析等。船舶制造业来看，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，缩短设计周期愈发显得重要。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。桥梁建筑行业来看，使用 CAE 软件仿真模拟对于桥梁设计和安全控制有重要意义。CAE软件通过仿真模拟能够实现对桥梁进
29、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，可以较精确的反应出结构的变形、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。12-计算机图表17： 以 CAE 在航空器制造中的应用为例资料来源：Ansys 官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。13-计算机海外 CAE 行业发展成熟，国内厂商加速发展探索时期：CAE 技
30、术萌芽（1960-1970s）1960-1970 年代，CAE 软件处于探索时期，CAE 技术和相应产品处于萌芽阶段。这一时期，有限元的理论处于发展阶段，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、磁盘的空间小、计算速度慢。CAE 商业化起源于 NASTRAN，脱胎于航天工业。1966 年美国国家航空航天局(NASA)为了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型的有限元分析软件 Nastran(NASA STRuctural ANalysis Program)的计划。该计划由计算机科学公司(CSC)牵头， MSC 公
31、司参与。MES 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，凭借过硬的技术实力，在 NASTRAN 招标过程中顺利中标，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 推出了其第一个 NASTRAN 版本，称为 COSMIC Nastran，即后来的 NASTRAN Level 12。图表18： CAE 商业化起源于 NASTRAN资料来源：CSDN、华泰研究快速发展时期：CAE 软件涌现（1970-1990s）1970-1990 年代是 CAE 技术蓬勃发
32、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，Nastran，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。图表19： 1970-1990 年代 CA
33、E 软件涌现软件介绍MARC重点处理非线性结构和热力学问题大型结构有限元分析软件NASTRANI-DEAS提供非线性求解器，功能强大的设计软件功能强大的有限元分析与优化设计系统应用于机械系统运动学、动力学仿真分析重点应用于结构非线性分析ANSYSADAMSABAQUSPHOENICS最早的计算流体与计算传热学(CFD/NHT)商用软件用于电子系统内部空气流及热传递的分析程序FloTHERM资料来源：各公司官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。14-计算机成熟阶段：CAE 软件百花齐放（1990 年至今）上世纪 90 年代至今是 CAE 技术的壮大成熟时期。C
34、AE 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。Nastran 软件市场化进程：从竞争到垄断再到竞争。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
35、竞争，NASA 向美国联邦贸易委员会(FTC)提出了申诉，最终美国 FTC 判“MSC Nastran垄断”，MSC Nastran 源代码须公开。而后，UGS 根据 MSC 所提供的源代码、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 NXNastran 和 NX Nastran 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
36、UGS 公司被西门子收购，2008 年推出的 NX6产品已将其技术集成到 NX 系列中。图表20： 全球 CAE 供应商百花齐放资料来源：公司官网、华泰研究国产 CAE 厂商加速发展开发初期，国内 CAE 理论和技术水平较高，但应用范围受限，阻碍国内 CAE 市场化进程。上世纪 60 年代我国有限元理论已经成熟，由于计算机条件限制，有限元软件主要基于分析功能研发。70 年代初，国内出现具有自主知识产权的有限元分析软件，尽管这一类国产 CAE软件具有较强的理论水平和技术能力，能够解决特定领域内的专业问题，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
37、制了此类本土 CAE 软件的市场化及产业化进程。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。15-计算机图表21： 起步阶段国内 CAE 理论和技术水平较高资料来源：中国科技信息期刊、ANSYS 官网、华泰研究上世纪 70-90 年代，国外 CAE 软件的大量进入和快速发展，使国内 CAE 软件厂商受到冲击，商业化进程受阻，发展缓慢。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
38、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。图表22： 自主开发遭遇困难，国内行业发展减速资料来源：CSDN、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。16-计算机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。图
39、表23： 政策推动行业发展资料来源：国务院、工信部、华泰研究市场需求庞大，为国内厂商发展提供环境。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。图表24： 市场需求驱动行业发展资料来源：e-works、华泰研究2015 年 8 月，中国工业软件产业发展联盟 CAE 分联盟在工信部信软司的大力支持下成立，联盟旨在打造从技术研发，到技
40、术产业化，再到企业在产品创新设计中应用的完整的 CAE行业产业链。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。17-计算机图表25： CAE 产业联盟概况资料来源：产业发展联盟 CAE 分联盟官网、华泰研究自国内 CAE 行业迈入快速发展时期，大量 CAE 公司成立，其中代表如上海索辰信息科技有限公司、前沿动力集团、元计算、速石科技、中望软件等。图表26： 国内 CAE 行业代表公司及研发方向资料来源：公司官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。18-计算机全球 CAE 市场规模约数十亿美元，产品可用性是关键驱动因素全球 CAE 市场规模约 8
41、0.2 亿美元2020 年全球 CAE 市场规模约 80.2 亿美元。从全球 CAE 市场规模看，量级大约在百亿美元级别，据 kbvresearch，2020 年全球 CAE 市场规模达到 80.2 亿美元。2016-2020 年市场规模复合增速为 12.5%。图表27： 2020 年全球 CAE 市场规模约 80.2 亿美元亿美元90全球CAE市场规模80.28070605040302010073.366.360.450.020162017201820192020资料来源：kbvresearch、researchandmarket、grandviewresearch、华泰研究2020 年中国
42、 CAE 市场规模约 61.8 亿元。据华经情报网，2020 年中国 CAE 市场规模预计达到 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%。图表28： 2020 年中国 CAE 市场规模约 62.5 亿元亿元中国CAE市场规模7060504030201002014201520162017201820192020资料来源：中国电子信息产业年鉴、华经情报网、华泰研究市场结构较为稳定，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，
43、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。19-计算机图表29： 全球 CAE 市场结构FEACFDMultibody DynamicsOptimization&Simulation100%8%8%6%90%13%80%13%14%70%23%26%25%60%50%40%30%56%56%53%20%10%0%201420152019资料来源：kbvresearch
44、、华泰研究汽车是目前最主要的应用场景。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%。图表30： 2019 全球 CAE 市场规模（分行业）其他21%电子和电气22%汽车36%航空航天国防等21%资料来源：marketintellica、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。20-计算机市场驱动力：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：收益在于减少成本，风险在于仿真结
45、果与实验结果可能存在一定误差。从 CAE 的角度看，软硬件进步改善用户体验，拓宽产品能力边界，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。图表31： 仿真解放实验，减少实验成本仿真实验支出时间成本相对较低，主要是计算机设备的购买、维护以及仿 成本较高，涉及物理设施的购买与安装，如风洞实验室真的相关费用，价格数十万美元级别快速仿真计算造价高达千万美元级别实验从设计到建造到测试需要较长时间，物理结构变动也需要花费时间安全虚拟仿真较为安全环境本身存在一定危险性不存在系统误差系统误差后续工作模型及设备存在系统误差需要经过验证确认取一系列统计量即可资料来源：CSDN、华泰研究计算机软硬
46、件能力提升拓宽 CAE 能力边界从 C 的角度看，关注计算机软硬件能力提升：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建模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了仿真的实践指导意义。图表32： 计算机软硬件能力提升驱动仿真发展资料来源：各公司官网、华泰研究硬件能力提升拓宽能力边界：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
47、从求解器向前后置处理软件拓展）。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。21-计算机图表33： 硬件能力提升拓宽能力边界资料来源：Ansys 官网、华泰研究硬件能力提升拓深应用深度：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。图表34： 以汽车为例，仿真功能逐渐进步领域传统80 年代后振动分析低频范围、固定值、固有模式的振动水平等特 更大规模、更高精度、中高频率范围。性整车振动研究、结构最优化设计开发系统传统构件、相对评价音响和构造的耦
48、合分析技术（图纸阶段、绝对评价）碰撞分析以车架、质量、吸能元件对车体变形进行工程 对发动机、悬架等所有的车体进行分析分析研究精度进一步提升车体和保险杠分析流体分析优化设计发动机气缸内气体流动和燃烧分析车身流体力学、发动机进气道、气缸内气流、水道水流及液压部件十几个变量上万个变量结构形状优化增加敏感性分析功能结构尺寸参数优化资料来源：Ansys 官网、华泰研究智能化技术提升 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 的易用性与使用效率。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
49、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。22-计算机图表35： 智能化技术提升 CAE 效率资料来源：仿真数据智能化分析方法及工具研究刘延珍（2009）、华泰研究云端 CAE 的建设包含两种模式：求解环节云化和全环节云化。部分云化：第一种模式是求解环节的云化，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：第二种模式
50、是全环节的云化，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。图表36： 云端 CAE 的建设包含两种模式：求解环节云化和全环节云化资料来源：Ansys 官网、华泰研究CAE 文件不断变大，仿真协同难度上升：CAE 文件安装包大小不断扩大，如今 CAE 软件安装包大小已经达到约 20GB。此外，CAE 应用于更加复杂的场景，文件因此不断变大，当前 CAE 结果文件达到 50-200GB。随着文件大小的增加，传统的协同方式对传输提出了较大的挑战。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读
51、。23-计算机图表37： CAE 软件安装包大小图表38： 2020 年 CAE 文件尺寸(GB)(MB)安装包大小25,00020000结果文件（600万单元）结果文件（200万单元）20020,00015,00010,0005,00050CAE安装包20200020105002000500199020200100200300资料来源：Simright 官网、华泰研究资料来源：Simright 官网、华泰研究云 CAE 提供多端访问、资源分配的灵活性。1）多终端访问灵活性：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
52、端，通过 Web 形式即可访问数据。2）计算资源分配灵活性：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。图表39： 云 CAE 提供多端访问、资源分配的灵活性资料来源：Ansys 官网、华泰研究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。免责声明和披露以及分析师声明是
53、报告的一部分，请务必一起阅读。24-计算机图表40： CAE 与 CAD 协同不断推进资料来源：各公司官网、华泰研究在工程实践中，CAD 与 CAE 的协同主要依赖三种途径。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的要求；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。建立统一数据标准有助于推进协同：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是产品协同的重要因素：数据交换标准的建立使得不同
54、的子系统间、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。图表41： 不同数据交换规范标准对比时间特点优点缺点案例IGES1981以几何图形信息交换为核心适用于 CAD 系统工程图描述占用数据空间较大；数据结构不理想美国空军 ICAM 计划，后成为美国国防部武器系统中数字产品与信息元素定义不够精确，应用范围 的首选格式不清晰PDDI19851987将产品定义数据分为 5 类：几何、 适用于产品生命周期的各个环节 对 IGES 的补充，没有突破固有 美国空军 ICAM 计划的一部分，用拓扑、公差、特征和零件控制信息标准的缺
55、陷于更全面研究产品定义数据的管理与应用PDES/STEP交换产品模型信息支持文件与数据库共享在产品生命周期中，对所产生的 文件的解释语句生涩而难以理 最终参与了由 ISO TC184/SC4 组解复杂信息进行理解，并在交换时 织领导的国际合作，被纳入 STEP基于应用层、逻辑层、物理层的 保持数据的一致性与完整性体系结构由多种类型的语言组合而成， 体系中如 ADA、C+资料来源：CSDN、华泰研究STEP 数据标准（Standard for the Exchange of Product Model）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
56、分技术委员会为解决各种 CAD 系统之间的不兼容的问题，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达形式。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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。25-计算机推动 CAE 和 CAD 协同的意义在于两方面：CAD 发展推动 CAE 发展、良好的前处理有助于提升求解效率。1）CAD 技术不断发展，为 CAE 技术推广应用打下坚实基础。CAD 技术的出现，使得设计人员可以用计算机而非图
57、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。图表42： 实体造型技术为统一 CAD 与 CAE 的模型表达奠定了基础资料来源：CSDN、华泰研究2）良好的前处理有助于提升求解效率。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
58、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。图表43： 前处理能力的增强有助于提升 CAE 的求解效率资料来源：CSDN、华泰研究虚拟现实技术为工程数据可视化提供了新的描述方法，改善 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
59、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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。26-计算机CAE 产品逐步降低“人”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
60、外，专业的咨询团队外包也一定程度上改善了这一问题。图表44： 人在仿真中的作用仍然重要资料来源：CSDN、华泰研究CAE 需要使用者具备一定的知识背景：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。图表45： 仿真分析环节中人的作用资料来源：Ansys 官网、华泰研究重要参数与工程积累相关：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：1）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
61、源本质上是来自于现有的工程实践的积累；2）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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。27-计算机途径一：存储技术的发展为数据沉淀创造了可能。CAE 发展的早期时代，存储空间有限，所能容纳的数据受到限制。随着 PC 硬盘容量的不断上升，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。途径二：建
62、立 CAE 仿真分析规范有助于知识积累：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。CAE 仿真规范减少人为因素影响，有助于 CAE 推广应用：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。图表46： 建立 CAE 仿真分析规范有助于知识积累资料来源：Ansys 官网、华泰研究CAE
63、 仿真规范建立是 CAE 软件应用的重要推动力。航天、汽车领域仿真标准率先建立：从欧美仿真标准建立情况看，航天、汽车行业率先建立了仿真标准，CAE 相关的应用也得到了较好的推广。我们认为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。图表47： 欧美仿真标准建立情况：航天、汽车领域仿真标准率先建立资料来源：各公司官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。28-计算机途径三：CAE 咨询有助于客户在实际工程中采用 CAE。CAE 咨询即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
64、与划分、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。CAE 咨询公司的技术方案最终实现是依赖各类 CAE 软件，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。图表48： CAE 咨询有助于客户在实际工程中采用 CAE资料来源：CSDN、华泰研究仿真效果逐步优化关注仿真误差缩小：仿真本质是用物理模型模拟现实，用数学求解
65、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小仿真的误差，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。图表49： 仿真过程中的误差因素资料来源：CSDN、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。29-计算机算法带来的误差必然存在：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，可能影响最终仿真的效果，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。图表50： 算法带来的误差
66、必然存在资料来源：CSDN、华泰研究数学理论进步，算法不断演进，推动 CAE 解决问题能力提升：CAE 算法本质是数学理论的应用，数学理论的进步推动算法提升，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。算法应用范围不断扩展：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，由静力学扩展到动力学、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等，由线
67、性扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料。图表51： 算法应用范围不断扩展资料来源：各公司官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。30-计算机不同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。图表52： 不同计算特点适用不同计算场景资料来源：各公司官网、华泰研究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)，但与单物理场求解不同是是要同时求解多个偏微分方程
68、，即偏微分方程组(PDEs)。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。图表53： 流固耦合问题分析流程及产品开发要点资料来源：CSDN、华泰研究算力进一步提升，真正的多场耦合有望实现，仿真效果或将进一步优化。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、
69、算法以及数据互换的问题。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。31-计算机海外 CAE 龙头多为老牌工业劲旅，国内 CAE 厂商各具特色海外 CAE 厂商梳理AnsysAnsys 公司成立于 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。Ansys 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
70、的匹兹堡，全球拥有 60 多个代理。Ansys 全球有 1700 多名员工，在 40 多个国家和地区销售产品。营业收入及净利润持续增长。2006 年到 2020 年 Ansys 营业收入稳定增长，CAGR 达到14.14%，2020 年公司实现的营业收入约 16.8 亿美元，同比增长 10.9%。此外，2006 年到2020 年 Ansys 净利润稳定增长，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%。图表54： Ansys 年度总收入变化趋势图表55
71、： Ansys 年度净利润变化趋势亿美元总收入（亿美元）YOY（%）亿美元5.0净利润（亿美元）YOY（%）1850%45%40%35%30%25%20%15%10%5%70%60%50%40%30%20%10%1614121084.54.03.53.02.52.01.51.00.50.061.8%45.8%36.6%31.9%19.1%12.2%18.2%17.2%20.7%12.2%24.2%8.2%615.5%5.1%18.3%48.7%7.9%0.7%10.8%7.6%4.1%-0.8%10.9%0%-3.8%-10%24.8%-2.6%3.6%00%注：2020 指结束于 2020/
72、12/31 的财年注：2020 指结束于 2020/12/31 的财年资料来源：公司年报、华泰研究资料来源：公司年报、华泰研究Ansys 提供多种仿真产品满足不同行业需求。Ansys 为全世界用户提供 CAE 仿真工具，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。图表56： Ansys CAE 产品矩阵资料来源：Ansys 公司官网、华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。32-计算机DassaultDassault 成立于 1981 年，是一家
73、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（Dassault Group），它在达索集团成立后的很长一段时间里，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。图表57： Dassault 年度总收入变化趋势图表58： Dassault 年度净利润变化趋势亿欧元5045403530252015105总收入（亿欧元）YOY（%）亿欧元7净利润（亿欧元）YOY（%）30%25%20%15%38.1%50%40%30%20%10%0%24.0%654321024.8%30.8
74、%15.5%30.0%15.9%16.1%14.0%14.1%10.7%10%10.6%11.2%9.6%8.1%7.7% 7.7%5.1%13.6%1.7%-15.4%8.6%5.6%5%2.0%5.6%0%-10%-17.3%-5%-10%-20.2% -20%-30%-6.0%0注：2020 指结束于 2020/12/31 的财年注：2020 指结束于 2020/12/31 的财年资料来源：公司年报、华泰研究资料来源：公司年报、华泰研究达索 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
75、的非线性有限元分析软件 Abaqus 进行开发、维护及售后服务。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 SIMULIA SLM。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。图表59： Dassault CAE 产品矩阵资料来源：Dassault 公司官网、华泰研究Siemens（西门子）西门子是全球最大的工业软件公司之一。西门子于 1847 年由维尔纳冯西门子建立，总部位于德国
76、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 385,000 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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。33-计算机图表60： Siemens CAE 产品矩阵资料来源：Siemens 公司官网、华泰研究AltairAltair 是一家全球
77、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集成软件套件提供的，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。HexagonHexagon AB
78、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 135,000 以上。2017 年 2 月 2 日，Hexagon 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。AutodeskAutodesk 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、基础设施业以及传媒娱乐业提供卓越的数字化
79、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，包括从美国最高楼世贸中心（One World Trade Center）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
80、料物理特性，提供“真实”的虚拟解决方案，以便代替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。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。34-计算机ADINAADINA 主打 CAE 产品为 ADINA。公司由世界著名的有限元技术专家 K.J.Bathe 博士及其同事于 1986 年创建，总部位于美国马萨诸塞州 Watertown。该公司专门致力于开发了能够对结构、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
81、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。国内 CAE 厂商梳理励颐拓。重庆励颐拓软件有限公司成立于 2018 年 7 月，致力于开发完全自主可控并具有国际先进水平的工业仿真软件，为机械、航空航天、轨道交通、电子、能源等领域的用户提供包括整体解决方案、定制化开发、专业技术咨询等服务。公司由首席科学家冯志强教授领衔，拥有两院院士及知名教授组成的顾问团队，具备三十余年 CAE 相关的理论、算法及大型软件开发等技术积累。HAJIF。HAJIF（航空结构强度分析与优化系统）是由航空工业强
82、度所 623 研发的航空结构分析软件，目前已走过了近五十年的风雨历程。HJIF 在上世纪 70 年代由强度专家冯钟越立项，又经过几代人的研发与持续迭代，到 1985 年时已经发展到 III 型，HAJIF 应用到在研的多种新飞机型号，其基本功能已经覆盖当时国外主流系统。英特仿真。英特仿真（INTESIM）专注于自主可控的国产 CAE 软件研发。公司成立于 2009年。总部位于辽宁省大连市。拥有沈阳子公司、北京清华大学航天航空学院 “CAE 联合研发中心”、无锡超算“苏南制造高性能工业仿真平台联合实验室”和上海、深圳、西安、无锡、成都办事处。云道智造。2014 年 3 月，云道智造成立于清华科技
83、园，聚焦工业互联网平台的开发，致力于实现仿真技术大众化和仿真软件国产化，是国家高新技术企业。经过三年研发，基于“仿真平台+仿真 APP 的模式”推出第三代仿真软件系统领跑者- Simdroid。云道智造以Simdroid 系统为核心，协同高校专家、行业专家、价值链合作伙伴打造仿真软件生态系统，用以普惠仿真技术，推动企业研发创新与转型升级。同元软控。MWorks 是苏州同元软控采用国际多领域统一建模规范 Modelica 形成的系统设计与仿真验证平台。Mworks 支持基于模型的系统设计、仿真验证、模型集成、虚拟试验、运动维护以及协同研发。Mworks 是亚洲唯一完全自主的系统仿真软件，目前已经
84、实现或正在实现对国内空白的设计仿真软件的替代，其领域包括系统仿真软件、科学工程计算与建模仿真软件等平台软件，机械多体仿真分析软件、一维流体仿真分析软件、电气仿真分析软件等专业软件，以及航天、航空、核能、汽车等行业仿真软件。安世亚太。安世亚太成立于 1996 年，是国内工业企业研发信息化领域的领先者。曾提出企业仿真体系及精益研发体系，拥有超 25 年的工业软件开发及服务经验，在国内虚拟仿真市场处于领先地位。公司总部设在北京，员工 700 多人，研发、咨询、技术 400 多人，硕博士占半数以上，拥有 18 家分子公司，客户 5000 多家。前沿动力。前沿动力公司是国内具有自主知识产权、拥有开放式易
85、拓展平台架构、前后处理及求解器的商用 CAE 软件企业。前沿动力公司基于多学科、多物理场、多尺度、多保真度的 CAE 工程理念，研发的面向高端装备制造的综合仿真设计分析与优化平台ADI.SimWork。目前已在航空工业沈阳飞机设计研究所、航空工业中国直升机设计研究所、航空工业洪都 650 研究所、等多家单位得到推广与应用，并协助客户完成了高超声速飞行器气动热、飞行器颤振、火箭推进、火星探测器着陆、快中子核反应堆热工水力计算、直升机舰船耦合气动干扰等多项尖端技术咨询项目。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。35-计算机中望软件。广州中望龙腾软件股份有限公司是领先的 All
86、-in-One CAx 解决方案提供商、国内 A 股第一家研发设计类工业软件上市企业，专注于工业设计软件超过 20 年，建立了以“自主二维 CAD、三维 CAD/CAM、电磁/结构等多学科仿真”为主的核心技术与产品矩阵。目前，中望软件设有广州、武汉、上海、北京、西安、美国佛罗里达六大研发中心，延揽全球优秀人才致力于 CAx 核心技术研发。安徽太泽透平。太泽透平技术有限公司是聚焦透平机械行业 CAE 工业设计软件研发创新的高科技公司，公司的主要产品 TurboTides 是一款面向下一代透平机械自主研发 CAE 集成平台。为透平机械全行业客户提供了一体化、专业化、定制化、智能化的 CAE 设计工
87、具。公司拥有软件完整的自主知识产权、200+万行源代码，填补国内透平机械 CAE 软件空白。SiPESC。大连星派科技有限公司致力于研发自主知识产权的 CAE 软件，成立于 2017 年。公 司 主 推 的 SiPESC 是 继 大 连 理 工 大 学 力 学 系 的 结 构 有 限 元 分 析 与 优 化 软 件JIGFEX/DDJ/JIFEX 之后研发的新一代计算力学软件平台。目前软件平台已完成了逾 150万行代码，构建了包括系统集成、结构分析、优化计算、结构拓扑优化、脚本语言等多个子系统，发展了扩展多尺度有限元、多重多级动力子结构等特色算法。上海索辰。上海索辰信息科技股份有限公司专注于工
88、业仿真分析软件（CAE）的自主研发及销售，成立于 2006 年，总部位于上海。索辰科技软件产品体系涵盖了工程仿真软件、工程仿真系统、高性能计算和工业仿真云等几大方向。蓝威云 CAE。蓝威数值是国内专业从事 CAE 软件的民营高科技企业，以数值仿真计算为驱动， 围绕数据、模型、行业标准的云建设框架，构建行业数字孪生平台；与国内外知名企业、科研院所、 高校、开展广泛的技术合作，依托云计算技术、数据挖掘技术、精细化数值评估技术、行业规范指标 体系以及技术人员丰富的行业经验，开发专业化和精细化的数值仿真软件产品、 为行业提供专业的数值仿真产品和服务，助力产业升级。北京适创。适创科技是国家高新技术企业，
89、聚焦于智能工业设计和计算机辅助工程的研究和应用。适创科技无论是在高性能智能算法、CAE 算法以及工业软件研发领域皆居国际先进水平。公司客户包含 GE-贝克休斯等多家国内外知名企业。速石科技。速石科技致力于构建为应用定义的云，让任何应用程序，始终以自动化、更优化和可扩展的方式，在任何基础架构上运行。公司为有高算力需求的用户提供一站式多云算力运营解决方案。此外还提供为应用优化的一站式交付平台，对药物研发/基因分析/CAE/EDA/AI 等行业应用进行分析与加速，通过 Serverless 框架屏蔽底层 IT 技术细节，实现用户对本地和公有云资源无差别访问。南京天洑。南京天洑软件有限公司为中国智能工
90、业软件研发及技术服务领域的高新技术企业，专注于中国自主知识产权的工业软件的研发。公司成立于 2011 年，总部位于南京，在北京、大连、宁波设有分公司或办事处。天洑为国内国内外众多制造业企业、国内军工单位、高校、科研院所提供了优质的工业软件产品和服务，应用领域覆盖能源动力、船舶海事、车辆运载、航空航天等。元计算。元计算落户于天津市滨海国家级高新开发区生态城园区，国家级高新技术企业，成立于 2009 年，在北京设有全资子公司。公司前身是基于梁国平教授于 1983 年在中科院所研发的 FEPG 软件，经过数十年的应用与改进，收获海内外众多用户及合作伙伴，包括Intel、Microsoft 等知名企业
91、。公司主要从事高性能计算、CAE 软件开发与应用和技术咨询服务等，产品广泛应用于航空航天、核能核电、海洋、地球物理、工业制造、军工科研、人工智能、边缘计算、水利岩土、建筑结构、地震预测、健康监测，教育培训等领域。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。36-计算机数巧科技。上海数巧信息科技有限公司成立于 2016 年，致力于开发国产自主的云端 CAE仿真软件和协同研发平台，为全球用户提供 SaaS 模式的公有云 CAE 解决方案以及基于私有云的定制化开发服务。公司自成立以来一直聚焦于云端 CAE 软件方向，核心团队来自于Altair、Autodesk 等知名 CAD/CAE
92、 公司。经过几年的发展，公司已经获得高新技术企业、双软认定等资质，目前已经形成了拥有自主知识产权的云端 CAE 核心技术，拥有 19 项软件著作权。智仿神州。北京智仿神州科技有限公司成立于 2013 年，专注于工程与科学计算软件、工程图形软件、工程数据库软件等工程软件及相关技术的开发、销售、咨询，同时承担各类工程数值模拟及前后处理业务。公司为客户定制开发工程与科学计算软件，提供设计仿真分析，提升客户市场竞争力。精益传动。湖南精益传动机械设计有限公司是一家专业的传动技术咨询及软件开发公司。公司开发了对标 MASTA、ROMAX 等国际传统软件的精益传动设计分析软件，整合了机械系统设计流程，搭建了
93、涵盖疲劳、齿轮、轴承、震动等方面的机械系统技术研发体系。公司开发的软件为客户提供自主开发的传动系统设计分析软件产品，包括定制化软件开发和传动系统分析软件。ADPSS。电力系统全数字实时仿真装置 ADPSS 由中国电力科学研究院于 2000 年开始研究、2006 年成功研制出的世界首套可模拟大规模电力系统的实时数字仿真装置。ADPSS基于高性能机群服务器，利用机群的多节点结构和高速本地通讯网络，采用网络并行计算技术对计算任务进行分解，并对仿真过程进行实时和同步控制，实现了大规模复杂交直流电力系统的机电暂态仿真和机电-电磁暂态混合实时仿真以及外接物理装置试验。COSINE。 COSINE 核电软件
94、包是国家电力投资集团公司于 2015 年底发布的我国首套完全自主知识产权的核电厂核设计与安全分析软件，并于 2019 年 11 月正式发布应用版。COSINE 包含热工水力设计与安全分析、堆芯物理设计、燃料设计、屏蔽设计与源项分析、严重事故分析、概率安全分析、堆用蒙特卡罗、群常数研制等 8 大类，15 个软件，覆盖国际同类软件 80 余项功能，具备了核电厂核工程设计与安全分析的所有核心功能。PSASP。PSASP 是中国电科院自主研发的电力系统仿真分析软件，能够满足我国电力系统的规划设计、调度运行以及教育科研的要求，也为电科院诸多仿真产品提供仿真核心引擎。PSASP 拥有集成、共享、开放的体系
95、结构，数据库分类结构合理，各种计算共享一套数据，并拥有统一的数据编辑和结果展示的平台。PSASP 拥有强大丰富的计算功能，能够支持稳态分析、稳定性分析和故障计算等功能，且还在不断发展、完善和扩充。霍莱沃。上海霍莱沃电子系统技术股份有限公司成立于 2007 年，致力于电磁场仿真与测量软件的研发及应用，依托自主研发的电磁场仿真分析与相控阵校准测量核心算法，为雷达和无线通信领域提供用于测试、仿真的系统、软件和服务，并提供相控阵部件等相关产品。海基科技。北京海基科技发展有限责任公司成立于 1996 年，提供智慧研发平台、研发工具、工程咨询服务、工程研发创新服务平台四个方面的服务。公司为客户提供国内领先
96、的CAD/CAE 集成开发和专业应用系统建设服务，内容包括自研程序定制开发与封装集成、商业软件二次开发与功能扩展、专业应用系统开发与体系建设三部分服务。神州普惠。北京神州普惠科技股份有限公司创建于 2003 年，是致力于仿真模拟训练、AI大数据、海洋科技装备领域的高新技术企业。公司在南京、西安、成都、长沙、武汉和香港设有分支机构，目前员工人数为 400 多人，其中具备本科以上学历的员工占 95%，硕士以上学历的占 40%以上，公司 75%的员工为技术研发人员，分别来自航天、航空、船舶、汽车装配等技术领域。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。37-计算机安怀信。北京安怀信
97、科技股份有限公司成立于 2012 年，提供完整的正向设计研发软件产品和咨询服务业务，目前拥有自主知识产权研发类软件十余个。安怀信参与了“十三五”中国航天、航空、发动机、兵器、高铁等多数顶级研究院所的智能设计规划和项目实施；国家高新技术企业、软件企业、多项发明专利，35 个软件著作权，成为国防科工局中国自主知识产权软件供应商。远算科技。远算是国内领先的创新研发云平台产品与服务提供商，以云计算、大数据为支点，实现 HPC、3D 云应用、CAD/CAE 等技术融合，打造出服务于工业数字化转型的平台化产品组合。公司自成立以来吸引了如 Facebook、微软、联想、IBM、北汽、阿里巴巴、富士康等海内外
98、人才，并且在杭州、北京、上海、成都、合肥、西安等人才高地设有办公地点。希格玛仿真。希格玛仿真是致力于工业设计软件与设计平台开发的国家高新技术企业，总部位于北京，成立于 2014 年。经过多年的努力奋斗已成为国内专用软件开发和计算服务行业领导者。2019 年公司获得第十五届中国 CAE 工程分析技术年会颁发的中国数字仿真自主软件创新奖。十沣科技。十沣科技致力于高端工业软件、数字孪生系统与仿真云服务平台自主研发及产业化。深圳十沣科技有限公司成立于 2020 年 12 月，以清沣溪科技的核心知识产权、主要技术团队以及业务等重新组建而成。十沣科技成功组建后，清沣溪科技予以注销。免责声明和披露以及分析师
99、声明是报告的一部分，请务必一起阅读。38-计算机图表61： 提及公司表公司名称Ansys公司代码ANSS USDSY EUSIE GRALTR USHEXAB SSADSK USESI FP688083 CH688682 CH未上市DassaultSiemensAltairHexagonAutodeskESI中望软件霍莱沃ADINAMSC未上市UIA未上市CSAR未上市安世亚太安徽太泽透平英特仿真大连星派科技有限公司上海索辰蓝威数值北京适创云道智造速石科技南京天洑元计算未上市未上市未上市未上市未上市未上市未上市未上市未上市未上市未上市数巧科技智仿神州励颐拓未上市未上市未上市精益传动同元软控海基科技神州普惠安怀信未上市未上市未上市未上市未上市前沿动力远算科技希格玛仿真未上市未上市未上市十沣科技未上市资料来源：Bloomberg，华泰研究风险提示1）技术进步不及预期。若 CAE 产品的技术进步不及预期，无法满足下游行业更加复杂的仿真分析要求，CAE 在工艺流程中的价值占比提升可能不及预期。2）市场竞争加剧。海外 CAE 市场发展成熟，龙头企业具备较强产品竞争力；此外，国内政策扶持下新兴 CAE 厂商数量增加，在前后处理及求解器模块上具备特色功能，若市场竞争加剧，可能对 CAE 厂商产生不利影响。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。39-
