作者丨曾高峰

支持丨黄建国

编辑丨曾祥瑞

近些年，无论在媒体界、产业界还是资本圈，工业软件这个词出现的频率越来越高。在轰轰烈烈的造芯铸魂运动之后，以工业软件为代表的“软”实力的提升也到了非常紧迫的阶段。我在最近投资一家CAE厂家的过程中，产生了一些对于该赛道的理解和思考，在参考一些文章后，成文于此，期待诸位指正。

2020年6月，人民日报发表《壮大国产工业软件》一文，指出“当前，我国正加快推动由制造大国向制造强国转变，作为智能制造的关键支撑，工业软件对于推动制造业转型升级具有重要的战略意义。”2021年5月28日，习近平主席在院士大会上的讲话中明确，工业软件是科技攻关中最紧急、最紧迫的问题。这两大重磅发声充分表明支持工业软件发展已经上升成为国家战略。资本方面，对于工业软件的关注度不断提高，大家开始愿意投入更多时间和精力去研究、学习、支持工业软件。无论是二级市场还是一级市场，对于工业软件的关注度和估值溢价都越来越高。

中国的工业发展数十年，已经到了世界领先地位，产值体量最大、工业品类最多、从业人员最多成了中国工业的典型标签。在感叹我国工业硬实力无与伦比的时候，人们突然发现，这么宏大的中国工业背后，居然没有一款世界级的工业软件，尤其是在一些关键应用领域，基本上都是国外产品垄断。一直以来，中国有很多的高校院所一直专注于工业软件的前沿研究，一批工业软件企业已经成立多年，但在近二十年来，工业界以“贸工技”主导思路使得本土工业软件始终没有形成自己的产业。我们借助国外软件快速提升了工业发展，但美国一纸制裁，才让人如梦初醒：没有实现工业软件自主化，就永远没有工业的自主化。

工业软件的自主化需求与当前中国工业发展阶段的需求息息相关。首先，高端制造在国家层面上升到比较高的位置，越往高端走越容易受到国外打压，独立自主是唯一的路。另一方面，在工业从低阶向高阶演进的过程中，投入到研发设计的成本占比会越来越大，这种投入主要是对于软件的投入。其次，中国工业企业对国产工业软件的使用意愿和推广，逐步培育了一批中国工业软件企业。

那么到底什么是工业软件呢？

从工信部的分类上看，工业软件分为：产品研发设计类软件（CAD/CAM/CAE/EDA/PLM）、生产控制类软件（PLC/DCS/SCADA/MES）、业务管理类软件（ERP/SCM/MRO）。研发设计软件对应的就是工业流程中的研发设计环节，生产控制软件对应的就是工业流程中的生产车间的控制流程环节，业务管理类则更多是管理类软件在工业领域的应用。

从内在本质来看，工业软件姓“工”而不姓“软”。工业软件是工业技术/知识的最佳“容器”，其源于工业领域的真实需求，是对工业领域研发、工艺、装配、管理等工业技术/知识的积累、沉淀与高度凝练。工业软件可以极大增强工业技术/知识的可复用性，有效提升和放大工业经济的规模效益。工业软件需要持续不断地在现场进行检验迭代，工业界用户的深入应用加速软件功能的成熟，通过用户的迭代，可以发现顶层设计缺陷、机理模型的算法缺陷，获得适合于某种专业性的潜在研发改进需求以及工业界新出现的诀窍（Know-how）知识。

在不同环节的工业软件中，软件和工业的结合度是不一样的，其对工业流程理解深度的要求不一样。从这几类工业软件对工业流程要求的程度来看，研发设计>生产控制>运营管理。结合越深，软件越复杂，软件的壁垒也就越高。壁垒越高的工业软件，中国的自主化程度极低，比如EDA、CAE、CAD等设计研发类软件，中国长期落后于国外几代。工业软件研发时间长，据估计，一般大型工业软件的研发周期需要3-5年的时间，要被市场认可则需要10年左右，并且这个周期并不完全依赖于资金的投入。

如果把工业软件比喻成人烟稀少的西北荒漠，那CAE便是可可西里无人区。同样作为研发设计类的关键软件，CAD领域已经有中望软件，EDA领域已经有华大九天，但CAE领域目前尚无一家典型上市公司，这深刻地体现国内在这个领域的落后。

CAE（Computer Aid Engineer，计算机辅助工程），是一种利用计算机辅助计算复杂装备及工程产品在各种环境下的综合结构性能、服役运行性能以及性能优化设计的技术手段。CAE软件是结合计算数学、计算物理、相关工程科学、现代计算技术和工程管理学形成的综合性、知识密集型信息产品，高度的学科交叉使CAE软件具有极高的技术门槛，是工业软件中难度最大的产品。

图1：CAE在研发设计过程中的效用

CAE的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用。

一般来讲，CAE仿真分析有三个步骤：

前处理（实体及参数化建模、布尔运算、网格剖分）：对产品模型进行预处理，为CAE求解器提供可使用信息，为数值分析作准备。主要工作为将产品模型划分为由三角形/四边形/四面体/六面体等微小网格单元（“画网格”）、定义边界条件与物理属性。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。

求解（结构、流体、热力、电磁等多领域的求解器）：针对已划分好的网格，通过求解器进行力学分析、运动学分析、物理场分析等。通常复杂结构产品划分网格节点数达成百上千万个，求解计算对算法、算力要求很高，是整个仿真耗时最久的环节。现在CAE的分析技术，在固体、机构等方面有限元是主流方法，在流体方向主要是有限差分、有限体积方法，在碰撞、爆炸则一般是无网格方法，比如SPH方法。

后处理（数据处理、物理量展示等）：检验仿真结果，并以图形、曲线、数据等方式展现给下游用户，辅助用户判断技术结果的准确性、设计方案的合理性，并进行设计优化。

CAE广泛应用于汽车、航空航天、国防军工、电子装备等制造业。从下游需求来看，一方面，存在巨大的增量需求。我国智能制造成熟度水平较低，2020年我国75%的企业的智能制造成熟度水平都在一级及以下，核心业务重要环节还未实现标准化和数字化。在制造业升级大势下，对于CAE的使用需求不断提升。另一方面，中美关系的恶化，CAE国产化进程进入新阶段，对于存量市场的国产替代持续进行。2021年我国全社会研究与试验发展（R&D）经费投入达27864亿元，2019年美国CAE市场规模占研发支出比重约为0.43%，由此粗略测算出我国2021年CAE市场空间约为119亿元。从全球CAE市场结构看，结构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，结构分析市场规模占比基本稳定在55%左右，流体力学分析占比则基本稳定在25%。

CAE技术壁垒显著，主要是因为其内在本质，“破壁”的成本极高，体现在以下三个方面：

（1）从CAE所需要的知识结构来看，CAE软件开发需要精通数学、力学、物理等多学科相关知识。CAE软件本质上是把复杂的物理方程写到软件里，再运用有限元分析等数值计算方法，借助计算机技术快速实现运算。这些方程涵盖了流体、电磁、结构、声学、热学和光学等各基础学科。例如用CAE软件模拟汽车在不同工况下的物理响应来判断设计是否合理，就需要实现几千个零部件运动过程的仿真，计算每一个零部件在空间中的位移、以及相互之间的作用力。

（2）CAE技术研发需要很高的技术与时间成本。通常大型CAE软件的研发周期需要3-5年的时间，培养生态并得到市场认可则需要10年左右。全球最大的CAE厂商ANSYS每年的研发投入在20亿人民币左右，占比超过20%，高额的研发投入构成了较高的行业壁垒，使得短时间内很难被超越。

（3）使用生态和人才。生态培养对于研发设计类工业软件至关重要，可以促进用户需求快速反馈到开发端，可以共同研讨新的处理方法，从而加速产品的迭代。CAE软件的人才极其稀缺，如果没有学校研究部门一脉相承的持续研发，很难通过短时间的突击培养合格的CAE的人才。

近40年来，我国在CAE理论研究和软件自主开发方面的努力始终没有停止过，也有一些拥有自主知识产权的软件系统脱颖而出，如大连理工大学开发的JIGFEX、中国飞机强度研究所开发的HAJIF、中国科学院数学与系统科学研究所开发的FEPG、郑州机械研究所开发的紫瑞CAE、航空工业总公司开发的APOLANS、北京大学力学与工程科学系在美国SAP软件源码基础上开发的SAP84等等，这些软件在1990年代中期其分析能力达到了一定水平，甚至在某些方面并不亚于国外同类产品，但后来在国外产品的挤压下逐渐凋零。

目前，国内的CAE市场依然是国外厂商占主导地位。2020年，全球CAE市场前三大供应商分别是Siemens、Ansys和Dassault，数据显示三大巨头的市占率超过47%。Altair、Hexagon和MSC Software也是国内市场的活跃供应商。《工业软件白皮书》的数据显示在各大工业软件国内前十大供应商中，CAE领域没有一家国产厂家，充分说明我国在CAE领域的落后。

图2：供应商格局

不过也不用太悲观，近年来在资本和政策的驱动下，国内涌现出一批基于新模式或者新技术的CAE初创公司，其中有一部分是缺乏核心技术能力的“门面”公司，也有一批掌握核心技术敢于攻关的国产CAE品牌，如重庆励颐拓、北京云道智造、英特仿真、湖南迈曦软件等。这些掌握核心技术的国产CAE厂商承载了中国CAE国产化的梦想，是最有可能跑出来的CAE明日之星，在这中间，来自湖南长沙的迈曦软件格外突出。

湖南迈曦软件有限责任公司是湖南大学科技成果转化成立的从事工业软件开发及技术服务的学科型科技公司，核心技术团队源于湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室钟志华院士和李光耀教授领衔的汽车CAE技术团队。迈曦的产品架构主要包括三个大板块，分别是核心仿真模块MxSim、智能设计平台MxDesign和云端平台MxCloud，目前均已发布了V1.0版本。

图3：迈曦产品的整体构架

1、MxSim

MxSim是公司产品的核心，主要应用于仿真求解，包括一系列的自主化的求解器，形成了极强的技术壁垒，包含Implicit、Explicit两个模块，能广泛应用于静态、动态分析。MxSim的求解器性能卓越，甚至能与Abaqus、Nastran等产品分庭抗礼，部分性能达到世界级领先水平。

隐式通用结构分析模块MxSim-Implicit，主要用于解决复杂装备设计过程中的线性/非线性结构分析、热力学分析、振动噪声分析等，能够处理几何、材料、接触边界三大类非线性问题，并支持行业专用模块化定制。求解器优势：

（1）独创了低阶高精度算法体系，解决了主流商业软件分析精度依赖于结构网格或高阶网格的问题；

（2）开发了独创的矩阵组合逼近迭代技术，实现了非线性问题的快速迭代；

（3）开发了自主的基于CPU/GPU异构资源调度的大规模稀疏方程组和特征方程直接法和迭代法求解器，可实现千万级以上自由度问题的快速求解。

图4：迈曦产品与国外商业软件比较结果

图5：迈曦自主研发的大规模稀疏方程组直接法求解器与特征方程组求解器

显式动力学分析模块MxSim-Explicit，主要用于解决冲击响应、接触碰撞、金属成型、压溃吸能、弹击破坏、侵彻损伤、断裂失效等问题，能够解决复杂接触、超大变形以及材料失效破坏等极端工况问题，并支持GPU并行计算，可快速有效完成大规模计算。求解器优势：

（1）研发构建了系列基于非结构网格的高精度单元算法理论及其显式计算格式，大幅提高了计算精度及抗网格畸变能力；

（2）独创了无参数高稳健接触算法，大幅提高了冲击碰撞问题的计算稳定性；

（3）首次开发了显式分析全流程多GPU并行的混合粒度计算方法，支持千万级自由度模型的CPU/GPU异构并行计算，实现了桌面上的超级计算。

图6：迈曦产品的显式大变形分析能力

除这两个模块之外，迈曦还有流体分析模块Mx.CFS。目前主要用于解决流体传热、多相流、可压缩流等，能够处理内外流流体传热、浮升力流体传热、多相流动、可压缩流流动、湍流流动等问题，并支持行业专用模块化定制。并且，团队开发了电磁场分析求解器及多物理场耦合求解器，正逐渐转化成为公司的货架产品。

表1：迈曦软件与主流产品的性能比较

2、Mx.Design

多学科优化设计平台Mx.Design是公司的另一极具价值的产品，旨在帮助工程设计人员进行多学科设计的复杂产品设计。软件可以根据工程师的需求，结合设计和分析人员的工程经验与知识，定制产品的自动化设计流程，提供实验设计方法、机器学习、智能优化方法以及可靠性分析等功能，为复杂产品的设计提供指导和对数据的探索思路，实现智能化地流程设计，极大地提升设计效率。

通过主流商业软件相比，Mx.Design设计流程简单，涵盖时序建模和深度学习模块，具备很强的高维建模能力。

3、Mx.Cloud

云平台Mx.Cloud为提供CAE分析的云化应用的SaaS平台，平台集成了自主研发的CAE软件求解器，定制开发了WEB端的计算结果在线查看和分析模块。

在近三十年的技术研发过程中，以崔向阳教授、王琥教授、蔡勇副教授为核心的迈曦软件核心开发团队一直将理论研究和行业需求相结合，在产品共性架构和算法理论的基础上，立足行业特点进行产品功能开发，将CAE技术在汽车碰撞、钣金件冲压成形、复杂装备数字化设计等方面进行深入的理论研究和工程应用。在自主核心算法理论方面积累了大量国际领先的原创性成果：

（1）首创的高精度低阶单元理论体系解决了现有商业软件中低阶单元精度难以满足工程需求的技术瓶颈；

（2）独创的交互式耦合单元理论实现了多场问题的全自动数据交互；

（3）独创的稳定无参数接触算法能够解决各种复杂接触问题；

（4）国际领先的全流程CPU/GPU并行算法实现了桌面级大规模高效并行计算；

（5）自研的时空间序列超高维模型构建理论与解耦方法能够完成100-300维复杂模型的非线性建模。

在软件原型代码方面，迈曦软件开发各类CAE软件模块30余个，积累了丰富的原型程序和核心算法代码，能够迅速实现各类CAE功能需求：拥有完备的自主可控显隐式结构分析原型代码，软件成熟度7级，显式分析技术国内遥遥领先；拥有有限元、无网格、粒子法、相场法、差分法等绝大部分主流数值算法和原型程序；拥有自主的磁电热结构耦合、声固耦合、断裂破坏、多尺度耦合、流固耦合等核心代码；拥有粒子群、遗传算法、梯度法等优化算法以及结构优化、建模技术等原型程序。

迈曦的产品能用于已经得到汽车、消费电子、军工、工程机械、轨道交通等行业的标杆客户试用、使用，在性能上得到了积极肯定的认可。2022年初，公司完成了成立以来的第一轮融资，长沙麓谷高新创投、中车时代电气投资、三一创投、华菱迪策、中航集团下属基金及长沙大科城基金成为公司新晋股东，共同支持迈曦的成长。

国产CAE的发展需要政府扶上马再送一程，扶上马是指政府要给与项目支持，送一程是要引领众多对口的国企给国产CAE以机会。湖南是有着丰厚技术底蕴的地方，也是能成就伟大公司的地方。作为制造业高地，湖南拥有三一重工、中联重科、山河智能为代表的工程机械产业链，可以说湖南的“硬”工业已经形成优势。但在工业软件方面，湖南并不突出，迈曦的横空出现可谓是极大地补齐了湖南工业发展的短板。在当前迈曦的发展阶段，呼吁各级政府、主管部门和企业尽可能多地给予项目和政策支持。国家相关部门在支持本土具备核心技术能力的CAE企业方面宜继续加大力度，因为只有他们才能解决卡脖子的问题，因为只有他们才能从根源上强大中国工业。