2022年CAE行业市场空间及发展历程研究 CAE应用广泛国内外市场保持稳定增长

1.CAE具备极高的技术壁垒，是物理和数学的结晶

CAE是制造业核心工业软件之一。计算机辅助工程（CAE）是广泛应用于工业和制造业仿真和模拟的工业软件，与CAD、CAPP与CAM并称为计算机辅助4C系统。相比于CAD侧重于建模和设计，CAE主要利用计算机技术，求解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、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题。CAD负责设计产品，是基础；CAE负责验证产品性能，一样不可或缺。CAE把工程的各个环节有机地组织起来,使其产生并存在于工程的整个生命周期，例如CAE仿真在整个电动汽车制造中，从电池、电机、驱动、热管理、车灯、防碰撞等各个环节均能提升研发设计能力，大幅节省研发成本和周期。

CAE的核心思想是离散化后的模型求解。CAE的首要核心是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，将复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量简化为求解有限的单元节点上的场变量值，最终得到满足工程精度的近似结果。基于此，CAE工作流程主要有三步：前处理、有限元分析、后处理。前处理主要是建立符合要求的模型，进行网格划分，以及物理属性和条件边界的设置；有限元分析核心就是对模型的求解，尽力“精确”地把握和还原真实物理现象；后处理主要是将输出结果图形可视化，给出评估、评判“生产过程”好坏的标准。CAE分为通用和专用软件，整个体系涉及多个模块，且子系统也具备独立的软件。

CAE是多门类基础科学集大成者，具备极高的技术壁垒。一款成熟的CAE软件需要多门基础学科知识长期的积累，包括数学、物理、计算机、工程知识等，对人才综合能力要求极高。数学方面：前处理中的数据导入、模型修复、网格剖分；后处理的大规模的数据处理、可视化展示等，包括优化理论等各种数值计算方法，各种数学工具是基础。物理场方面：流体、电磁、光、声等每种物理场都包含丰富的分支学科，CAE的求解器由物理算法组成，每个专业领域都有大量求解算法，不同领域完全不同，无法复用；以结构为例，力学方面就涉及到理论力学，分析力学，材料力学等一系列学科；而产品也会涉及多个物理场的组合，需要深刻理解相互干扰的多物理场，并实现快速解耦和优化。计算机科学：包括计算机图形学，软件工程等学科，尤其是从大型机演绎到今天的云计算，不断以提升系统算力和稳定性，以加快求解的时间。同时，不同软件数据、模型相互兼容，也是提升效率的重要一环。工程知识：工程界的建模与分析，融合了众多不同维度的学科知识和工程经验，涉及大量的工艺Know-how过程。大量的制造经验需要变成算法、编码，固化到软件中，每一处经验的凝结也需要长期不断反馈的积累，工业软件集其大成。

2.市场空间：CAE应用广泛，国内外市场保持稳定增长

CAE价值不断强化，已在各行业广泛应用。CAE软件通过计算机技术对工程、物品进行仿真模拟，能够大幅降低设计和材料成本，缩短设计周期；通过“虚拟样机”来验证可靠性，并提前预判潜在问题；模拟各种试验方案；进行事后验证分析等，是工业领域必不可少的一环。CAE目前已经广泛应用于航空航天、汽车、半导体、电子设备、建筑等领域，其中航空航天和汽车依然是最大的应用领域。

国内CAE市场增速快于全球水平。CAE软件对于推动工业制造及工程的升级和发展至关重要，随着各个细分领域应用深入，以及光学等新兴领域的进入，全球CAE市场整体保持稳定增长，2020年市场达到81亿美元，复合增速达到12.81%。我国CAE市场仍以国外产品采购为主，2020年达到18亿元，复合增速为16.2%，高于全球水平。

CAE领域全球巨头林立。经过高端制造业持续的发展积累以及长期并购，全球CAE龙头厂商已呈现清晰格局，主要玩家有美国ANSYS、MathWorks、德国西门子、法国达索、Altair、Hexagon等厂商。CAE兼顾软件及工程学、物理学等复杂技术，整体壁垒较高，市场形成了较为稳定的格局。我国CAE厂商与国际厂商仍有较大差距，但是在持续政策推动下，航空航天、高端制造等领域有望率先突破。

3.发展历程：CAE历经长期发展进入并购阶段

CAE起源于航空航天领域，国外巨头已进入并购阶段。计算机辅助工程计算起源于50年代中期，CAE软件诞生于70年代中初，随后CAE的功能和算法不断完善，80年代中期已逐步形成了商用的CAE软件。20世纪60年代，有限元理论处于发展阶段，CAE最早的需求来自美国航空航天局NASA，当时为了解决宇航工业对于结构分析的问题。随后世界几大CAE巨头陆续成立，如MSC、SDRC、ANSYS，致力于商业化的研究和落地。70年代后，CAE技术得到蓬勃发展，巨头持续提升技术和创新应用，并开启商业化；同时一大批新CAE厂商成立，各厂商技术和行业侧重各不相同，呈现百花齐放状态。90年代后，CAD的发展为CAE技术提升进一步打下基础，CAE软件也开始积极与CAD对接接口，进一步扩展CAE功能；CAE巨头加大市场拓展，持续壮大成熟。21世纪开始，国际CAE巨头开启并购重组，通过收购来实现横向扩展并整合市场，如ANSYS通过并购，最终解决热力耦合问题的分析求解，当前CAE市场主要由Ansys，DassultSystems，Altair，MSC，西门子等厂商垄断。

Ansys是全球CAE龙头，高壁垒构筑稳健成长性。Ansys是全球最大的CAE厂商，持续专注于仿真技术的发展，产品已经覆盖结构、流体、电磁、光学、3D设计、嵌入式软件等各个细分，解决方案也覆盖航天航空、国防、汽车、能源、医疗等各领域，全球市场份额最大，是名副其实的全球龙头。Ansys的诞生来自JohnSwanson博士在西屋工作时创立的一套有限元分析程序，1970年Ansys成立并开启商业化，而西屋核电公司也成为Ansys第一个客户。2002年Ansys推出7.0版本，其中Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题，是公司发展的里程碑。Workbench以简单易用而著称，ANSYS提供各类与仿真相关API以及用户自己的API可以在Workbench环境下集成，形成应用程序，所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作。例如，Ansys将收购的LS-DYNA集成进入ANSYSWorkbench环境。Ansys的产品能与多数CAD软件对接，实现数据交换，综合来看，Ansys已经成为最经典的CAE工具。凭借极强的技术壁垒，以及近些年持续的收购扩张，Ansys整体保持了稳定的增长。2021年，Ansys实现收入19.07亿美元，近10年复合增速达到10.16%；净利润4.55亿美元，复合增速9.38%。毛利率长期维持在86%以上，净利率长期保持在23%以上。Ansys在国内也占据了最大的市场份额，在中国有100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件，为Ansys在国内的普及打下了坚实的基础。

并购扩张是巨头必经之路。自2000年以来，Ansys开启了并购之路。如2006年Ansys收购Fluent，Fluent应用先进的CFD（计算流体动力学）技术实现流体、热、传导等方面的仿真，奠定了Ansys在计算流体力学的地位。2008年，Ansys收购EDA厂商Ansoft，拓展了公司在集成电路、机械电子设计领域的应用。Ansys最强势的产品之一LS-DYNA也是在2019年收购而来。近两年收购来看，Ansys加强了光学仿真和航空航天的布局，尤其是光学领域，连续收购了Lumerical和Zemax，致力于实现完整的端到端光学仿真解决方案。以Ansys为例，包括达索、Altair等CAE巨头均是通过不断的收购实现产品线的持续扩张，因此也充分验证了CAE在各个细分工业领域里均需要深厚的know-how积累。各巨头也纷纷形成了结构、流体、多体、电磁全系列CAE产品矩阵，且每家均有一些拳头产品，形成了较强的技术和市场壁垒。

4.国内现状：国内市场亟待突破，霍莱沃从电磁仿真开始

国内CAE在工业软件中差距最大，国产厂商仍在起步期。我国工业软件中，以研发设计类的CAD、CAE、EDA与国外差距最大，尤其CAE领域，国内前十大厂商中没有一家是国产厂商。虽然在90年中期，我国凭借技术研究和工程设计的深度融合，也形成了不亚于国外的仿真程序，并取得了显著成就；但是难以整合成行业通用程序，更无法进一步提升适用性，最终阻碍了国产CAE的发展。如今，国外CAE软件覆盖范围广、功能完善，并逐渐在数据传输等技术上与其上下游产品打通，形成CAD/CAE/CAM/PDM一体化综合软件平台。而我国CAE行业虽然近年来有明显发展，但是通用CAE产品在自主化、产品化、集成化和规模化上仍有显著差距；专用CAE产品在覆盖度、成熟度、易用性上仍有较大差距。

霍莱沃长期坚持CAE领域研发积累。公司坚持自主研发复杂电磁环境仿真分析软件，实现了基于真实物理环境和复杂电磁环境的仿真分析，突破了三维复杂电磁环境系统级仿真技术，解决了各种装备平台在实际电磁环境的电磁效应特性仿真分析问题。公司复杂电磁环境仿真技术已经先后应用于嫦娥探月工程着陆器与巡视器通信链路仿真、机载天线布局仿真、大型舰载相控阵系统仿真等多个电磁仿真项目，已积累了大量电磁CAE技术和高规格项目经验。以AnsysHFSS为目标，霍莱沃电磁CAE未来可期。电磁CAE广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体、天线等领域，随着我国5G快速发展，以及军工信息化持续升级，电磁CAE需求与日俱增。全球最知名的三大电磁CAE分别为AnsysHFSS、AltairFEKO、达索CST，也是各巨头通过并购而来。主流的电磁CAE算法如有限元法（FEM）、有限时域有限差分（FDTD）、有限积分法（FIT）、矩量法（MOM）等，在各自场景均有自己的优势。以AnsysHFSS为例，其已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构。国内厂商目前无论是产品技术，还是应用范围与国外厂商仍有巨大差距；目前霍莱沃主要深耕于国防科工领域，也是电磁CAE主要场景之一。公司持续研发具有自主知识产权的应用于5G场景下系统级三维复杂环境仿真平台软件，同样也是基于FEM算法，结合公司创始人具备Ansoft相关背景经验，公司CAE产品有望持续向HFSS迈进。

霍莱沃发布三维电磁仿真软件RDSim1.0版。基于自主研发的内核，以及十余年来在电磁场仿真领域积累的工程经验，公司首次正式发布基于云计算以及WEB交互技术的通用CAE电磁仿真软件—三维电磁仿真软件RDSim1.0版。RDSim1.0应用改进的矩量法及其快速算法，可实现任意三维结构的电磁场问题的仿真分析，覆盖天线/微波器件辐射问题求解、目标散射问题求解、单元天线/相控阵的快速设计优化、平台布局仿真/EMC仿真问题求解、复杂电磁环境仿真等领域，可以提供高频电磁场仿真问题的全套解决方案。公司CAE产品具有丰富易用的材料库，完善的建模功能，丰富的激励设置，强大的检测能力，强大的网格剖分功能，公司在CAE领域稳定发展，致力于CAE产品的国产化升级。

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