我国的CAE软件到底差在哪里?

智能制造
知识自动化
张云龙/林雪萍
2018-11-21 09:05
[ 亿欧导读 ] CAE(Computer Aided Engineering)全称叫做计算机辅助工程,是“智能制造”、“工业互联网”、“数字孪生”等新理念的基础,在工业制造中的作用无可替代。
工业软件,工业物联网,智能制造,工业制造,工业信息化 图片来自“东方IC”

【编者按】

CAE全称为Computer Aided Engineering,指的是工程设计中的计算机辅助工程,指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等,把工程(生产)的各个环节有机地组织起来,其关键就是将有关的信息集成,使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。

CAE是“智能制造”、“工业互联网”、“数字孪生”等新理念的基础,在工业制造中的作用无可替代。

本文出自知识自动化,原作者为张云龙、林雪萍。


国外CAE软件发展的三个阶段

从上世纪60年代初在工程上开始应用到今天,CAE已经经历了50多年的发展历史。在1990年代中期便形成了包含众多单元类型、材料模型及分析功能丰富的软件产品,并且经过了大量工程应用考核和专业机构认证,大型通用商业软件的发展达到顶峰,也正是在这个时期,国外CAE软件开始大举进入我国市场。此后十年,到2000年代中期,随着有限元理论与算法日臻成熟,数值计算新方法新理论并没有新的突破,一些关键的CAE软件技术难点也没有太多进步,如ANSYS软件最后还是通过并购,才解决热力耦合问题的分析求解。

但是,国外商业CAE软件在功能上已基本满足现有工业设计的需求,因此,这一时期求解器技术上的发展并不十分突出,国外CAE软件的发展基本上处于巩固完善和拓展市场阶段。

最近十年,CAE市场进入了疯狂并购阶段。根据《知识自动化》的统计,近二十年来仅ANSYS、MSC、达索、ESI和西门子这五家厂商就并购了100多家软件企业,其中30多起并购事件发生在最近三年内,可以说CAE近十年来的发展基本上就是买买买(国外仿真软件的鲨鱼进化史)。在分析能力上并没有太多新成就,技术水平提升缓慢,应该说软件的分析能力发展不超过20%

概括而言,国外CAE软件发展可分为三个时期:

1990年代中期以前为发展期,该时期主要以软件技术提升与功能拓展为主;

1990年代中期至2000年代中期为壮大期,这一时期主要以拓展市场为主、功能提升为辅;

2000年代中期至现在的十年间为成熟期,各大CAE厂商忙于并购与重组,重新整合市场,在技术上以通过并购实现横向扩展为主,纵向提升缓慢,技术能力处于平台期,软件的发展由核心技术发展转向概念创新发展。

四大CAE巨头的并购与发展断代

图1:四大CAE巨头的并购与发展断代

(来源:知识自动化)

国内CAE软件的发展与现状

国内有限元软件开发起步并不晚,基本上从1970年代就开始专有程序的研制。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。

正如同国外CAE软件的发展一样,国内CAE软件也同样经历了三个时期的发展,在时间上也十分一致。1990年代中期以前为技术发展期,该时期主要以算法理论及程序编制与提升计算性能为主,严格意义上说还不能称之为软件,只是科研院所为解决科研问题或产品设计中遇到的需要通过计算机模拟的相关技术问题而编写的数值计算程序,只有参与编写程序的相关课题组人员才能熟练使用。它属于专家科研程序,非一般工程师所能掌握。这一时期国内有些行业的数值计算程序在某些方面甚至超过了国外商用软件的水平。

1990年代中期至2000年代中期可以说是国内CAE软件的沉寂期。在这一时期,国外商业CAE软件进入稳定的商业化运作期。其软件已不具备明显的行业特性,更加突出了软件的专业特性,使得无论是科研机构的科研人员还是工业设计部门的工程师都能够很便捷地借助国外商业CAE软件快速完成课题研究或产品设计,也正是在这一时期,CAE软件被广泛应用在装备和产品的研制过程中,逐渐体现出CAE软件对制造业的重要性。在这一时期,得益于政策上的许可,科研结构或产品设计部门都纷纷引进商业CAE软件,逐渐抛弃了操作“原始”的行业专用程序,这一时期又是老一辈科研人员陆续退休的时期,原有程序的开发与维护后继乏人,也促进了国产CAE软件的退场。而这一时期则是国外CAE软件的成长壮大期,在市场营销上依靠国内代理商或经销商向企业用户推广产品,另一方面又采用“盗版倾销”战略与向高校提供免费教育版本的方式,在软件新版本刚推出不久便能将软件的最新版本送到个人用户手中,普及了软件使用操作方法,就这样多种因素促使了国外CAE软件迅速占领几乎整个国内CAE市场。这一时期体制外的CAE从业人员主要从事国外商业CAE软件的销售、培训、咨询、二次开发等工作,几乎没有人从事CAE软件开发工作。可以说,国内CAE软件自主开发曾止步于1990年代中初期,到今天为止,国内自主CAE软件的最高水平差不多落后三十年。

2000年代中期至现在的十年间为国内CAE软件商业化运作萌芽期。国外商业CAE软件经过十多年在中国市场的开拓,基本上占领了国内绝大部分CAE市场,涉及各个行业领域。当然,国外商业软件功能再强大,也不可能完全满足国内生产、制造、建设中遇到的所有仿真需求,这逐步促生了CAE软件定制化开发服务,开启了国内CAE软件的市场化道路。从市场化进程而言,相比国外1960年代中期开始成立商业化CAE公司,我国商业化CAE软件开发要落后四、五十年。

国内外CAE发展阶段对比

图2:国内外CAE发展阶段对比

最近十多年来,国外CAE公司进入前所未有的大整合时期,主要精力在横向扩展,在技术深度上发展缓慢。这是我国自主CAE软件发展千载难逢的极好机遇,抓住这次机遇定会缩短差距甚至实现超越。

国内外CAE软件的差距分析

以有限元方法为主的CAE技术就是为工程问题的数值模拟分析而提出的,自诞生之日起就一直服务于工程问题的,具有很强的工程应用背景。但是,由于历史上体制的原因,国内外CAE技术的发展走了不同的道路。国内在计划体制年代,为促进各行业发展,各行业基本都成立有独立的研究院所(如航空企业基本是一厂一所的模式,航天企业也基本都是厂、所结合模式),以解决本行业工业生产中遇到的各类问题,研究成果直接服务于本行业生产,研究经费是国家投入的,因此对于本行业的服务也都是无偿的,在一定时期、一定程度上极大地推动了国内生产制造业的发展,“两弹一星”更是全国上下一盘棋,基本上白手起家围绕具体的工程需求发展了相关数值计算理论、编写了相关数值计算程序,解决了不计其数的工程问题,取得了举世瞩目的成就。

这种模式可以说基本延续到1990年代中初期,这个时期的主要特点是技术研究与工程设计不分开,技术研究成果直接服务于工程设计,可以说每一个研究员都兼任着工程师的职能,在工程中遇到的技术问题直接反馈给研究人员,为解决具体问题,研究人员从建立理论模型、离散方程、编写计算程序直至通过众多情形的计算机模拟、分析,最终提出解决问题的方案,都是研究人员完成的。这好比是机器上需要拧个螺丝,于是单独成立一个小组设计、制造一个扳手来把螺丝拧上,显然是两个过程合二为一了。

这种模式在取得巨大成就的同时,也无意中筑起了行业之间在计算机数值模拟方面巨大的技术壁垒。计算程序基本都是行业内部解决具体问题专用的,甚至行业内部本身都没有把专用计算程序整合成行业内部通用程序,行业之间更无从谈起计算程序的适用性。

虽然在计划体制时代计算机数值模拟为工业的生产制造发挥了巨大作用,但计算机数值模拟的发展却一直伴随着体制内“重硬轻软”的普遍观念,相关科研项目经费少得可怜,最大的经费开支就是计算机和打印机。甚至普遍观念的是,做数值计算基本不需要科研经费。

国外商用CAE的进入,从两个维度上,改变了中国的规则。

1990年代初期国外商用CAE软件进入国内市场后,极大地扩展了计算机数值模拟相关项目科研经费的使用空间,申请项目也可以名正言顺地“索要高价”了,可以说,国外商用计算分析软件(包括CAE软件)进入国内市场为国内数值模拟研究项目开启了新的篇章。在经费方面,缩短了“软、硬”之间的差距,无形中提升了“软”项目的重要程度;在使用方面,国外商用软件有非常方便的图形化前后处理界面,,解决问题的时间从以年为单位,缩短到以月和周为单位,大大提高效率。可以说,数值模拟研究,从刀耕火种的“农业时代”进入到了机械化作业的“工业时代”。

另一方面,国外商用CAE软件的大量使用,逐步减轻了工业设计部门对科研院所的依赖,更多的工作由设计部门的分析工程师承担了仿真分析职能。然而,也正是因为国外商用CAE软件的大量使用,使得科研院所在CAE理论、算法、程序设计与实现等等当时并不落后的诸多方面逐步弱化,甚至逐渐失去了造血能力,致使国内CAE技术停滞不前出现了十年沉寂期。直至现在,众多高校本该教授有限元理论与技术以及编程的课程无一例外地都捆绑了一个具体的国外CAE软件名称,变成了“有限元理论与××软件”。老师只需要蜻蜓点水般对有限元理论稍加介绍,利用大量课时教会学生使用某个CAE软件,学生则只需利用该CAE软件完成一个大作业即可完成课程学习。

国产CAE再次挺进大别山

国内自主CAE领域市场化进程,始于2000年代中期,主要面向国外商业CAE软件覆盖不到的边缘领域,多以定制化服务为主,鉴于国外CAE软件的强大实力,鲜有以自主CAE软件开发为主要目标的公司,近年来也有公司融得部分风投资金开发自主CAE软件产品,但迫于急于挣快钱的风投压力不得不依赖大量服务项目获取盈利,致使产品研发进展缓慢。近十年来国内自主CAE软件的市场化道路并不顺利,基本上属于小打小闹成不了气候,即使有自主CAE软件产品,其水平与功能也未必能超过国外1980年代初期的产品。

中国CAE的主要差距,不完全在技术本身,而在于将其从科学计算程序,转向软件工程。从分散在各行业内部的CAE相关程序的水平看,差距有二三十年;但如果从CAE软件的商业化进程看,我们的差距至少有四十年,还达不到国外1980年代的水平,而且还存在被逐渐拉大的势头。形成这种局面的主要原因,除了国外CAE软件实力强大无法抗衡外,还存在以下几方面内因:

1、缺乏资金支持

公司多为个人筹资建立,资金有限,一般只能维持一到两年运行,因此必须依靠承接相关项目以获得经费支持;

2、无力潜心研发 

公司依靠承接项目维持运营直接导致开发人员疲于应付项目而无暇顾及产品持续研发;

3、技术积累单薄

研发团队技术积累有限,多为研发人员在工作中或读学位期间自己编写的相关程序,功能单一并且不系统,可利用价值很低,基本上是零起点开发;

4、缺乏成果转化

国内积累下来的较为系统的行业CAE程序集中在各类科研院所内部,CAE开发团队因为政策与资金两重原因而无法获得科研院所的CAE程序成果转化,更加降低了国内自主CAE开发的起点;

5、程序员工资低

资金缺乏导致开发人员工资待遇较低,在互联网软件、游戏、移动APP开发人员高工资的冲击下,很难留住高水平开发人员从事CAE软件开发;

6、人才流失海外

国外CAE软件公司中,有为数不少的大陆华人从事CAE软件开发工作,同时也有很多国外CAE软件公司在大陆成立研发中心,直接聘用国内CAE求解器及前后处理器研发人员;

7、尚未得到重视

买得到、有的用的事实迷惑了人们视线,没有什么比花钱拿来用更简单的事情了,从而导致忽视了其重要性。另外,CAE软件本质是科学计算,表象是软件,应用领域在工业,也导致上属主管主抓关系没有很好理顺,近乎三不管地带;

8、应用生态缺失

国产商业CAE软件市场占有率极低,导致国产CAE软件极度缺乏市场应用评估反馈,成长过程中得不到市场的促进,也就是应用生态建立不起来,缺乏客户应用的反馈意见。

那么,如何填补我国自主可控CAE软件空白,在“智能制造”、“两化深度融合”、“工业互联网”轰轰烈烈蓬勃发展的大潮中,寻找工业仿真软件的发展之路?。

国内CAE软件发展的可行途径

专家指出,商业化开发是软件生命力的重要保证,国外CAE软件的发展也证实了商业化开发是促进软件开发良性循环的最佳途径,可以突破行业壁垒,将共性技术广泛应用到众多行业,减少低水平重复与内耗,另外,商业化开发可以有效实现可持续开发,不因人员流动而影响软件的发展。

国外CAE软件都是依靠长期技术积累发展起来的,除了本公司的技术积累,企业并购也是技术积累的重要组成。细数国际上具有一定市场竞争力的CAE软件,都有几十年的历史,没有一个新兴企业做出功能完善、分析结果可靠的CAE软件产品,可从一个侧面说明CAE软件开发道路漫长、路途艰辛。CAE软件开发没有长期的技术积累,无论是“弯道超车”或是“换道超车”都几乎是不可能的。如果说有捷径可走,那只能是站在前人肩上,将散列在各行业研究院所、高校中三十年前并不落后的各种工程分析计算程序进行成果转化,在此基础上消化吸收、筛选整合、改写重构,短期内将原有基础扎实利用起来,然后逐步补齐短板向国际知名CAE软件看齐。

国外CAE软件的成长壮大基离不开政府的长期扶持。CAE软件具有极其重要的战略地位,因此受到国家层面的极大重视,如美国政府通过国家战略投资计划投资了众多科学计算基础设施,实施了大量产业培育举措,这是CAE产业最早在美国得到蓬勃发展的一个重要因素。在国家战略层面,美国也确实是把科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术,从未停止过投资。

国外CAE软件也是在企业的伴生下成长起来的。美国工业软件的巨大成功,离不开工业巨头的抚养,也得益于其知识产权的转换机制(成果转化)。美国CAE软件巨头MSC在1971年获得了美国国家航空航天局(NASA)Nastran程序的开发授权,并对Nastran改良后推出了MSC•Nastran,成为美国仿真软件的鼻祖,并作为NASA的主要供应商一路迅猛发展,奠定了行业龙头位置。ANSYS作为美国CAE软件的另一个巨头,其发展则得到了美国西屋电器的“深情支持”。

总结为一句话,在政府扶持、企业伴生下,矢志不移长期潜心研发,通过商业化运维,在市场哺育下发展是CAE软件成长壮大的成功之路。

为加快我国CAE软件快速发展,其它领域的发展经验值得借鉴,二十一世纪以来,我国在高铁、航母、计算机操作系统等方面取得了快速发展,为国产CAE的发展提供了很好的范式:

1、高铁模式

高铁的核心技术并不是我们的原始创新,但是根据我们地域广阔、东西、南北跨度巨大的现状,解决了东北与西北的高寒、南部的湿热、西北的高海拔以及沙漠戈壁风沙等严酷环境的适应问题,在很短的时间内使我国的高铁技术成为国际上最先进的高速铁路技术。对于CAE软件而言,出资并购国外CAE软件开发公司,引进关键技术,消化吸收转化为自主可控技术,以高起点参与市场竞争,不失为一条可行之路。

2、航母模式

我国第一艘航空母舰“辽宁舰”改建于苏联未建造完成的“瓦良格”号,实现了我国航母零的突破。“瓦良格”号设计定型于1982年。中国在2002年3月将“瓦良格”号拖至大连港。之后,历经近十年的改装与建造, 2012年辽宁号正式服役。

在1980年代我国CAE自主开发应用的鼎盛时期,各高校、研究院所积累了许多很有价值的自主开发或从国外引进的CAE分析源程序,如SAP5、Dyna2D、Dyna3D等,这些程序在国外商业CAE软件形成垄断之前曾经发挥过巨大作用,虽然看似年代久远了一点,但CAE求解器本身就应该靠不断积累而发展的,重新开发也不能跨越这些源程序形成的基础,将这些代码消化吸收、改进重构快速形成自主CAE求解器的雏形,在此基础之上逐步开发补充功能模块,缩短与国外CAE软件的差距,这无疑又是可行捷径之一。

3、操作系统模式

基于开源的Linux操作系统,通过消化吸收,根据实际需求与国内用户特点,注重系统的安全性能,定制研发了自主可控的国产操作系统:麒麟。如新近完成首次中修改造的远望5号船上信息设备基本实现国产化,麒麟操作系统得到广泛应用。

目前互联网上有许多开源的CAE软件求解器,其中不乏优秀的开源CAE求解器,对于技术积累比较薄弱的国内CAE软件开发状况,在开源CAE软件基础上进行消化吸收并加以利用不失为一种可行之策。但是必须在开源协议许可的框架下进行,如果进行商业化还必须付出一定费用。如果真正消化吸收并转化重构为自主产品需要投入大量精力,另外,开源软件毕竟与商业软件尚有一定差距,也很难短期内形成竞争力。但作为长期的人才培养,和解决局部问题的努力,仍然非常具有价值。

对于国产自主可控CAE软件而言,三种模式相比较航母模式代价较小收效更大,不失为上上之策。

“有志者,事竟成,破釜沉舟,百二秦关终属楚;苦心人,天不负,卧薪尝胆,三千越甲可吞吴”。国家政策方面已逐步开始重视工业软件的开发,许多“数值水池”、“数值风洞”等大型工业软件开发项目也纷纷启动,民间资金也在跃跃欲试,工业软件正在面临着一个大好的局面,打破工业仿真模拟软件“无可替代”的窘迫局面,或许可以重新期待。

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