CAE市场规模、组成、核心环节及优势有哪些？

研发设计基础工具软件，自主可控下成长空间广阔。

CAE 软件仿真方法是与理论方法、实验 方法并列的人类认识世界的三大方法。CAE（Computer Aided Engineering 计算机辅助工程） 是指在产品/工程设计阶段用计算机软件对产品/工程项目的工作状态、行为进行基于物理模 型的模拟，来预测其功能可用性、可靠性、效率和安全性等，实现产品/工程的设计优化，保 证产品/工程达到预期功能并满足各种性能指标。CAE 可广泛应用于机械、航空航天、汽车、 船舶、石化、电子、土木、电力等行业，属于核心的研发设计基础工具软件。根据 Credence Research 数据，2021 年全球 CAE 市场规模预计为 90 亿美元；根据观研天下数据，2020 年国 内 CAE 市场规模为 61.8 亿元。按照《中国工业软件产业白皮书(2020)》的统计，研发设计类 软件国产化率约为 5%，自主可控下对国产软件需求高。

CAE 软件开发依赖多学科融合，市场由通用型和专用型软件两大类构成。CAE 是物理、数学、 计算机及工程学结合而形成的软件应用，以有限元法、有限差分法及有限体积法等为数学基 础，用计算机辅助求解并优化复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热 传导、三维多体接触、弹塑性等性能的近似数值分析方法。因为其发展依赖于多学科融合， 因此该领域产品的研发有着很高的壁垒。CAE 可以分为通用型和专用型软件，主要应用在机 械、流体、电磁和其他领域。1）通用型 CAE 适用范围广，可针对多种类型的产品的物理力学 性能进行模拟仿真、评价和优化，典型的产品有：Ansys、CFX 等。2）专用型 CAE 能够针对 特定类型的产品提供较好的性能分析、预测以及设计优化等功能，典型的产品有：Matlab、 Motion 等。

CAE 核心三个环节，求解器体现行业底层 Know-how。CAE 软件包含前处理、求解计算与后处 理三个过程。1）前处理：将产品设计形态进行离散化处理后，选择物理模型和数值求解算法 及其参数，再根据实际工况设置求解的边界条件，如边界条件、载荷、约束等。该阶段核心 在于将产品整体进行离散化，并且将产品情况尽量调制为真实使用环境，从而更好的对每个 离散点进行计算及仿真。2）求解计算：求解计算即运用求解器对离散点进行仿真结果计算。 求解器是 CAE 软件的核心底层架构，直接决定仿真的精度，其将 CAE 软件底层的物理、数 学算法用计算机语言展示并计算求解。其源代码是由数学、力学、材料、物理等多学科的代 码组成，难度和复杂度高。3）后处理：处理和显示 CAE 求解器生成的结果数据，提供可视 化的画面。

CAE 仿真可大幅减少物理实验次数，对于研发环节的增收降本效果显著。产品的生命周期通 常包括构思、设计和分析、制造、运维，CAE 仿真覆盖研发全流程，主要在设计和分析环节 发挥作用。1）降本：CAE 软件可模拟多种实际情景，大幅减少实验次数，减少物理实验所引 发的时间和资金成本，2）增效：CAE 软件可协助设计人员预先发现潜在问题，助力企业寻求 理想的产品设计方案，为设计决策提供支持，提升研发设计效率；3）增收：CAE 软件可以推 动产品更快的发行，促进企业与行业的发展。4）效果：根据 Aberdeen 调查报告表示，集成 的 CAE 平台能够节约 22%的时间。根据 Ansys 发布的《5G 白皮书》数据显示，其提供的电磁 模拟与仿真领域的 5G 解决方案能够提供显著的竞争优势：1）能够降低 60%的成本；2）提升 3 倍的开发时间；3）减少 70%的闲置功率；4）降低 80%的天线重量。

研发设计类软件是工业软件重要组成部分，CAE 基础工具软件属于核心一环。工业软件主要 包括研发设计、生产制造、运维服务、经营管理四大类，CAE 与 CAD、EDA 同属于工业软件中 的研发设计类软件，处于工业软件的上游，是最能体现工业属性和底层物理原理的部分。CAE 处于 CAD（设计软件）与 CAM（制造软件）的中间环节，1）传统产品开发流程：每做一次设 计均需要进行试验，再不断地进行设计调整和相应试验，直到找出最优解，才能进行产品的 制造；2）CAE 驱动的产品开发流程：由 CAD 进行设计，设计过后使用 CAE 代替大部分的试验， 从而进行最后的产品定型，再由 CAM 帮助制造，CAE 作为基础工具软件是连接 CAD 和 CAM 的 核心一环。可以看出，在 CAE 软件的配合下，诸多依靠经验进行调试的环节转化为数据驱动 的产品设计方式，整体流程更加高效。

高技术壁垒、高成本投入、先发企业优势明显。1)技术壁垒：从 CAE 所需要的知识结构来看， CAE 软件开发需要更多数学、物理相关知识。CAE 软件本质上是把复杂的物理公式写到软件 里，再运用有限元分析、数值计算等数学方法，借助计算机技术快速实现运算。尤其在流体 力学与多物理场耦合领域，以流体力学为例，其中各分子受各自影响形成的波动较大，若没 有特别契合的物理公式，需要先推导公式，具有较高的技术壁垒。 2)投入成本：CAE 技术研 发需要很高的时间与成本。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。3)客户粘性高及生态：生态培养对于研发设计类工业软件至 关重要，投入足够的研发经费打磨产品之后，使用者生态、算例积累会大幅影响产品的迭代 以及精确度，CAE 软件往往需要丰富的算例积累，使其不断地迭代，产品精确度才会越来越 高，也会形成较大的先发优势。此外，CAE 软件客户的数据积累、使用习惯等会形成较高的 客户粘性，也是 CAE 软件的重要护城河。