工業(yè)仿真軟件技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

工業(yè)仿真技術作為工業(yè)生產(chǎn)制造中必不可少的首要環(huán)節(jié)，已經(jīng)被世界上眾多企業(yè)廣泛地應用到工業(yè)各個領域中。隨著智能制造、工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一輪工業(yè)革命的興起，新技術與傳統(tǒng)制造的結合催生了大量新型應用，工業(yè)仿真軟件也開始結合大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、大規(guī)模數(shù)值模擬等先進技術，在研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、服務管理和維護反饋等工業(yè)各環(huán)節(jié)中凸顯出更重要的作用。我國工業(yè)軟件廠商需把握新技術新市場帶來的機遇，彌補軟件技術短板，找準定位，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的升級與壯大。

一、新技術引領，工業(yè)仿真軟件走向智能化

工業(yè)仿真是對實體工業(yè)的一種虛擬，將實體工業(yè)中的各個模塊轉化成數(shù)據(jù)整合到一個虛擬的體系中，在這個體系中模擬實現(xiàn)工業(yè)作業(yè)中的每一項工作和流程，并與之實現(xiàn)各種交互。工業(yè)仿真軟件承擔著對生產(chǎn)制造過程中的建模分析、虛擬現(xiàn)實交互、參數(shù)效果評估等重要作用，單純的建模軟件可視為CAD（計算機輔助設計）軟件，而當前仿真和分析常常會結合在一起，通常提到仿真軟件，主要是指CAE（計算機輔助工程）軟件。隨著3D、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術逐漸進入工業(yè)仿真領域，工業(yè)軟件對工業(yè)元素描述更精確、更細致，仿真模型得到持續(xù)動態(tài)優(yōu)化，軟件與工業(yè)實際應用結合更緊密，虛擬仿真軟件成為了工業(yè)軟件未來發(fā)展重點。工業(yè)仿真軟件呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

工業(yè)仿真軟件技術與性能不斷演進提升?；谟嬎銠C群的并行計算、網(wǎng)格計算，基于云和互聯(lián)網(wǎng)的集成化協(xié)同使仿真軟件的計算能力不斷提升，如美國ANSYS公司推出Workbench仿真平臺包含高性能計算（HPC）功能和并行可擴展性，提升復雜仿真求解能力。另一方面，工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)得到不斷豐富與完善，更多部件模型、行業(yè)材料、設計方案和標準規(guī)范信息納入仿真軟件數(shù)據(jù)庫，ANSYS 在其EKM產(chǎn)品平臺中提供多物理場仿真數(shù)據(jù)管理，開放的數(shù)據(jù)交換功能可集成試驗、第三方和其他物理場的工程數(shù)據(jù)。同時，計算機圖形處理能力、三維圖形算法和圖形運算發(fā)展均有增強，虛擬現(xiàn)實等新技術應用促進實現(xiàn)了真三維和虛擬仿真，沉浸式交互系統(tǒng)使工業(yè)仿真更加立體，圖形表現(xiàn)更加真實。

多體多態(tài)多物理場復雜耦合仿真迅速發(fā)展。得益于計算處理、數(shù)據(jù)支持、圖形化等基礎支撐技術的持續(xù)提升，面向多相多態(tài)介質、多物理場、多尺度等復雜耦合仿真的新型工業(yè)軟件日漸豐富，其實現(xiàn)形式主要有兩種：一是通過開放的數(shù)據(jù)接口標準進行多仿真系統(tǒng)耦合的聯(lián)合仿真，如法國達索系統(tǒng)公司推出Dymola平臺軟件，可基于FMI/FMU接口聯(lián)合AMESim、PROOSIS、Simulink等十幾種不同建模工具和機電分系統(tǒng)進行仿真，實現(xiàn)多領域模型聯(lián)合求解仿真；二是通過增加仿真模塊，融合先進仿真技術，單系統(tǒng)實現(xiàn)多領域仿真。如瑞典多物理場仿真軟件公司COMSOL不斷整合結構、熱、流體、電磁等多領域世界領先公司和高校最先進求解器技術，推出多物理場復雜耦合仿真軟件，具備超過30 個專業(yè)領域附加模塊，在Desktop?集成環(huán)境中提供專用物理接口和工具，并擁有世界先進的復合材料求解算法和工程庫。

二、產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)仿真軟件領先廠商動作頻頻

全球工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)格局相對固定，以ANSYS、MSC Software、達索系統(tǒng)、Altair、西門子PLM等為代表的國際CAE/CAD軟件巨頭在技術、產(chǎn)品、市場等多方面均以較大優(yōu)勢領跑。隨著工業(yè)仿真應用日趨廣泛和復雜，并向多學科多物理場景的智能仿真發(fā)展，國際工業(yè)仿真軟件廠商也開始通過收并購、研發(fā)合作等方式，推出新的產(chǎn)品，以期繼續(xù)引領產(chǎn)業(yè)甚至新一輪工業(yè)革命的發(fā)展。

并購整合，從單一領域向綜合領域進軍。ANSYS近幾年收并購動作頻頻，通過納入多種類型仿真軟件公司的領域和能力，擴展了自身工業(yè)仿真軟件的使用范圍和客戶群體。例如其并購ANSOFT和Apache公司，補充強化了電子電磁仿真領域直流、交流電路設計、無線藍牙設計、電磁爐和微波爐的電磁場計算；通過收購軟件開發(fā)商Fluent，其加強了流體仿真分析軟件（CFD）功能，提高了模擬流體流動、傳熱、化學反應等問題的準確度；收購Gear Design Solutions公司，借助其半導體和電子系統(tǒng)的專用大數(shù)據(jù)平臺，增強設計驗證的預測精確度。

廣結盟友，實現(xiàn)仿真軟件工業(yè)功能擴展。部分廠商通過開發(fā)平臺，聚集并對接了大量產(chǎn)業(yè)鏈伙伴，利用行業(yè)資源針對特定工業(yè)需求進行仿真軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了工業(yè)仿真功能的擴展。例如歐特克（Autodesk）公司推出工業(yè)制造仿真平臺fusion 360，支持3D打印實用工具，并集成了來自多個合作伙伴的服務和應用，包括BriteHub的服務、CADENAS的parts4cad應用等，通過不斷擴充優(yōu)化工業(yè)模型與行業(yè)資源庫，使其仿真軟件應用范圍從單一產(chǎn)品仿真擴展到工藝與生產(chǎn)線裝配仿真等領域。

三、國內工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，兩大難題有待破解

據(jù)IDC統(tǒng)計，2015年CAE軟件在制造業(yè)各領域的應用日益廣泛，全球保持8%左右的增速，制造企業(yè)在產(chǎn)品生命周期各階段對仿真軟件的應用逐漸增多。國內市場上，2015年仿真分析類軟件繼續(xù)保持較高增速，實現(xiàn)了近15%的增長，明顯高于其它工具類軟件的增幅。從細分領域來看，航空航天及軍工行業(yè)是CAE應用的主要行業(yè)，約占42%的市場份額；其次為汽車及交通運輸行業(yè)，占據(jù)20%的市場份額；電子高科技和工業(yè)裝備行業(yè)分別占14%和13%市場份額。從應用趨勢來看，工業(yè)仿真技術主要應用于大中型離散制造業(yè)，尤其是航空航天和國防、汽車、裝備制造及電子高科技等行業(yè)企業(yè)，同時，能源、鋼鐵、石化等行業(yè)的大型企業(yè)均開始涉足CAE等仿真軟件產(chǎn)品應用。

雖然我國工業(yè)仿真軟件市場發(fā)展良好，但仍面臨產(chǎn)品技術和產(chǎn)業(yè)應用兩大方面的困難和不足。一是產(chǎn)品技術方面，國內工業(yè)仿真與設計軟件核心算法產(chǎn)業(yè)化能力不強，國外廠商掌握CAE有限元算法和CAD核心幾何內核算法并對其進行產(chǎn)業(yè)化推廣，應用最多的是Parasolid和ACIS內核，國內企業(yè)只能通過授權經(jīng)營方式使用國外幾何內核，基本不具有自主知識產(chǎn)權的CAE企業(yè)，多數(shù)廠商基于國外產(chǎn)品二次開發(fā)和定制化的基礎上推出產(chǎn)品。二是仿真技術產(chǎn)品的應用兩極分化明顯，廣大中小型企業(yè)在仿真技術應用水平上與大型企業(yè)有很大差距，工業(yè)仿真軟件應用與工業(yè)產(chǎn)品設計研發(fā)部門脫節(jié)，只能將仿真技術作為驗證手段，缺乏仿真流程規(guī)范、材料數(shù)據(jù)庫，仿真技術應用的專業(yè)人才缺口較大。

四、緊抓機遇，推動我國工業(yè)仿真軟件跨越發(fā)展

我國工業(yè)仿真軟件市場潛力巨大，中國制造2025等一系列行動計劃將促使對國內對工程軟件產(chǎn)品的需求進一步擴大，雖然國內當前面臨技術、市場、應用等多方面問題，新一輪工業(yè)革命仍然是我國工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可多得的機遇，需夯實基礎，補齊短板，盡快實現(xiàn)新一代設計仿真技術在工業(yè)中的廣泛應用。

一是需要加強頂層設計和系統(tǒng)研究，完善工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)與政策環(huán)境。重點針對沉浸式仿真、三維圖景可視化、衍生式設計等關鍵技術能力和產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié)，出臺相應扶持政策與保障措施，加快推動國內工業(yè)仿真軟件體系化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應用。

二是突破虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)分析等高端核心技術，把握新興增長點，加強新型工業(yè)仿真軟件的研發(fā)和推廣。支持開發(fā)通用的三維產(chǎn)品設計平臺、數(shù)字化工廠仿真平臺等新型工業(yè)仿真平臺，促進行業(yè)需求與軟件技術結合，全面推動產(chǎn)業(yè)鏈升級，加緊搶占市場優(yōu)勢。

三是加強行業(yè)需求結合，通過試點示范推動傳統(tǒng)工業(yè)仿真軟件重點應用升級。促進軟件仿真技術與工業(yè)技術深度融合，通過聯(lián)盟、論壇、會議等形式打造工業(yè)領域與仿真軟件領域的技術交流與需求對接平臺，選擇信息化基礎較好的工業(yè)企業(yè)開展工業(yè)軟件的試點示范與創(chuàng)新實踐，持續(xù)提升工業(yè)仿真軟件應用水平。