“国际创投从市场、核心技术、相关企业、投资机会等维度着手，撰写了《工业软件行业研究报告》。本报告将以连载形式发布。本文为第二部分技术篇，分为：工业软件发展的驱动力、工业软件核心技术分析。”
历次连载请戳→ 工业软件行业系列研究（一）
01
工业软件发展的驱动力
工业软件与制造业增加值对比
资料来源：工信部，Gartner，前瞻产业研究院
我们认为，工业软件当前发展的驱动力主要来自两方面：国产化的趋势以及AI发展带来的新机遇。
1.国产化驱动力：自主可控迫在眉睫
2010年6月伊朗核设施遭到震网病毒（Stuxnet），病毒入侵了西门子工控系统，导致大量生产核燃料使用的离心机遭到破坏；
2015年12月，乌克兰至少3个地区的电力系统被恶意软件攻击，导致大面积停电；
2018年8月，台积电晶圆厂遭到病毒攻击，损失超过87亿元新台币；
2019年9月30日，国家工业信息安全发展研究中心发布《关于罗克韦尔工业软件存在严重安全漏洞的风险预警》，相关漏洞“一旦被成功利用可能实现任意代码执行甚至导致设备系统崩溃”。
工业制造是国家的命脉行业，涉及众多国计民生领域，一旦发生安全事故，后果往往非常严重。
工控本土企业市占率
资料来源：工控网，前瞻产业研究院
高端工业软件技术内核多来自国外，存在一定的上游技术断供风险。工业软件产业链比较短，下游直接对接企业客户，而产品本身则多为自主研发成果，并一定程度上付费使用其他第三方的技术。
例如CAD领域，大多数国产CAD软件都是基于国际非营利性组织ITC的IntelliCAD内核开发的，从ITC付费租用内核及代码。
即使国际主流厂商如Dassault Systems（法国达索）、Siemens（德国西门子）、Bentley Systems（美国奔特力）等巨头，都有使用非盈利技术联盟ODA的DWG格式兼容技术（需付费成为ODA会员）。
虽然付费使用第三方技术属于国际惯例，但同时存在技术断供风险。2013年就曾传出ITC将禁售中国，2020年6月哈尔滨工业大学被列入美国商务部实体名单，禁用Matlab。
由于工业软件多应用于国计民生的关键领域，一旦发生安全事件后果往往非常严重，叠加中兴、华为事件以及持续的中美贸易摩擦大背景，我们认为，工业软件领域的国产替代将成为不可逆转的历史进程，在国内政策的加速推动下，国产化成为产业发展的短期重要驱动力。
2.技术驱动力：工业软件长期发展依托行业Know-how、数据和AI赋能
（1）工业软件是行业Know-how的结晶
工业生产复杂性高、细分类别多、行业跨度大、专业壁垒高，唯有本身就对工业生产了如指掌的企业，才能将这些工业知识高度概括、抽象、封装成为工业软件，并用以指导工业生产。
工业软件，本身之所以难，在于它是大量的工业know-how的积累，是制造业从材料、工艺、机械、控制、流程、应用、验证、辅助工具等多个层级的协同问题的集中体现，而任何一个工艺都必须经过大量的工业现场测试验证过程、经过收敛形成最经济的道路。
工业软件的核心是工业基础数据。工业软件一方面依托于基础科学和算法研究，基于对工业知识和经验的抽象，满足特定的工业场景需求，另一方面工业软件需要数据的支撑，在实际使用中不断验证、优化、迭代理论算法和模型。
工业领域的数据标准是依靠实验积累的（例如几号合金在多少厚度可以达到什么样的防护效果，这些都与基础科学、基础实验数据直接挂钩）。
以全球工业软件巨头ANSYS为例，它最强大的壁垒不是底层的有限元算法，而是它的多物理场耦合分析能力以及经过大量工业试验和数据验证的计算模型，长期的迭代、know-how以及数据积累构筑了产品的强大护城河。
（2）AI将赋能工业软件以及工业互联网平台
AI和大数据技术发展，使得人们从工业数据中获得新洞察。例如机器学习技术能自动快速分析、学习智能传感器产生的运行数据，包括温度、压力、湿度、空气质量、振动和声音等，识别运行异常数据、异常运行模式，通过不断迭代和优化建模，最终实现智能化生产。
生产设备的自我检测、提前预警：让机器能够根据历史维护的记录或者维护标准，告诉工程师如何解决故障，甚至让机器自己解决问题、自我恢复。
工厂中的数控机床在运行一段时间后刀具就需要更换，通过分析历史的运营数据，机器可以提前判断刀具可能损坏的时间，提前准备好更换的配件，并及时更换刀具。
提升仓储物流的综合效率：仓储物流的环节很多，从入库分拣、库位管理、上下架、出库分拣到物料运输，中间涉及分拣机器人、上下料机器人、立库、AGV小车、叉车等。
工业场景的AI与大数据
资料来源：双钱集团（新疆）昆仑轮胎有限公司
02
工业软件核心技术分析
（以CAD为例）
1.几何内核：CAD系统为皇冠，几何内核为明珠
几何内核是CAD最基础的核心组件，也是我们国家目前最关注的领域，主要的建模方式包括线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模等。
目前几何内核的两大主要阵营为西门子的Parasolid（全球200多家客户）和达索的ACIS（全球100多家客户）。
当下，工业主流的数字化设计与制造都需要用到CAD系统这样的工具，而CAD系统的基础底层支撑就是CAD平台，又称几何内核。
几何内核本身市场很小，但它是所有CAD系统的基石，如果将CAD系统比较为皇冠，几何内核就是皇冠上的明珠。
几何内核的主要作用在于建立、储存并处理几何模型，对外提供接口以方便上层CAD应用的开发。
维度方面，几何内核最早只支持简单的二维图素，到70年代中期开始可以表达复杂拓扑结构的三维图素；建模方面，几何内核从简单的线框模型过渡到曲面模型和实体模型，再到目前广泛使用的B-Rep模型和参数化特征模型。
2.几何建模：产品信息化的源头
几何建模是将现实世界中的物体及属性转化为计算机内部可数字化表示、可分析、控制和输出的几何形体的方法。
在CAD中，几何建模是产品信息化的第一步，它为产品设计分析、工程图生成、数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、加工仿真、生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件。
几何建模即是将物体的几何信息和拓扑信息转化成数字化模型的过程。
几何信息一般是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，这些信息可以用几何分量的方式表示，例如空间里的一点可以用坐标值x,y,z表示，空间里的一条直线可以用方程式Ax+By+Cz+D=0来表示。
实体模型包含线框模型和表面模型所有优点，并且还能满足物理性能计算和工程分析，例如质量、质心和重力等计算。在产品设计中，实体建模技术更符合人们对真实产品的理解和习惯。
3.几何约束求解器：参数化特征建模的实现者
几何约束求解器被广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查等场景中，为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持，可帮助最终用户提高生产效率。
约束求解引擎也是最基础的核心组件，目前最主要的产品是D-CubedDCM。
目前正在使用DCM的知名CAD软件公司包括西门子、PTC、Autodesk等。
参数化特征建模以实体模型为基础，提供用户特征设计手段，以参数驱动模型，设计者可以通过添加、修改参数以达到建立、修改模型的目的，大大简化了产品的造型过程，并且极大地方便了系列产品的设计过程。
参数化特征建模是CAD发展史上的又一次飞跃，是新一代CAD系统的象征。几何约束求解器是几何内核的重要组件，几何内核在进行参数化特征建模时，几何约束求解器进行几何约束求解并定义、储存了模型各元素之间的约束关系，实现了参数化特征建模。
目前几何约束求解器主要被国外垄断，世界上主流的几何约束求解器为D-Cubed公司的DCM，其次是俄罗斯LEDAS公司开发的几何约束求解器LGS。
参数化特征建模主要分为两个重要的部分：参数化设计和特征建模。
特征建模是在实体模型的基础上，进行工程特征定义和设计。实体建模在表示物体形状和几何特性方面是完整有效的，但实体模型中的操作主要面向几何（点、线、面）而非工程描述（槽、孔、凸台），特征建模即建立了一个既适用于产品设计、工程分析又适用于制造计划的统一的产品信息模型。
特征是一组具有约束关系的几何实体，约束关系则是由几何约束求解器进行定义。特征通常可以分为形状特征、材料特征、精度特征和装配特征，其中应用效果最好和最成熟的是形状特征设计。
几何约束求解器
4.当前市场情况：国外市场垄断，DCM独占鳌头
几何约束求解器是几何内核的重要组件，虽然市场份额不大，但其在产业发展中属于关键工程。
国外的主流几何约束求解器有DCM，LGS，国内的几何约束求解器是DCS。
DCM由D-cubed公司研发，2004年由UGS公司收购，随着西门子2007年五月收购了UGS公司，DCM目前作为西门子PLM软件供使用。
DCM分为D-Cubed2DDCM（D-Cubed二维空间约束管理器）和D-Cubed3DDCM（D-Cubed三维空间约束管理器）。
LGS由俄罗斯LEDAS公司于2001年开发，在约束求解方面被认为是仅次于D-Cubed的几何约束求解引擎。
其计算组件使用了高度优化的内部非线性求解器和几何分解方法，在3000多家工厂的测试中实现了最优结果。
LGS已授权给十多家工程软件供应商，包括Cimatron（现隶属于3DSystems）、CD-adapco（现隶属于SiemensPLMSoftware）和ASCON。
DCS由国内的华天软件研发，是完全自主研发的二维、三维约束求解引擎，同时也提供与国际商用约束求解器兼容的API接口。
DCS二维约束求解器可实现二维图形参数化设计，满足约束需求及尺寸需求；DCS三维约束求解器可实现约束三维几何体的需求，在三维CAD/CAM/CAE领域中支持装配设计、运动仿真等。
03
工业软件核心技术分析
（以CAE为例）
CAE有限元分析软件应用范围广阔，应用的领域包括固体力学、流体力学、传热学、电磁学等。解决的问题已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题、波动问题，由线性问题扩展到非线性问题。其分析对象已由弹性材料扩展到塑形、黏弹性、黏塑形和复合材料等。
1.CAE有限元分析：基于CAD建模的工程分析与物理仿真
有限元分析是一个基于CAD几何模型来建立CAE有限元模型的过程，主要分为有限元网格剖分、有限元单元分析、有限元整体分析三个步骤，有限元网格剖分则是整个过程中的重中之重。
有限元法是基于固体流动变分原理，把一个原来连续的物体剖分成有限个数的单元体，计算时先对每个单元进行节点分析，再根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，进行综合求解。
有限元分析流程
资料来源：宇熠科技官网
2.有限元网格剖分：CAD几何模型离散化处理
网格剖分结果示意图
资料来源：Comsol
3.有限元网格剖分基本原则
有限元网格剖分需要考虑的问题较多，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响，需要考虑的主要基本原则包括：网格单元类型、网格疏密、网格数量、单元阶次等。
①网格单元类型：网格剖分时的单元类型取决于物体结构本身的形状特点、综合载荷、约束等情况，所选的单元类型应能逼近实际的受力状态，单元形状应能接近实际边界轮廓，下表列举了一些常用的典型单元和其应用情况。
②网格疏密：通常采取将网格在高应力区局部加密的办法，在计算数据变化梯度较大的部位，为了更好的反应数据变化规律，采用比较密集的网络，而在计算数据变化梯度较小的部位，为了减小模型规模，则划分相对稀疏的网络。如图16所示，图中几处交汇点皆为高应力区域，因此采用高密度的网格划分，其他较低应力区域则采用密度较低的网格划分。
③网格数量：网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。
④单元阶次：单元阶次主要分为线性、二次、三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元，选用高阶单元可以提高计算精度，当模型形状不规则、应力分布很复杂时可以选用高阶单元。高阶单元优点在于：单元的曲线或者曲面边界能更好的逼近模型的曲面和曲面边界，高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数。但由于高阶单元节点较多，计算规模也比普通单元大一些。
4.主流的有限元生成方法
目前主流的有限元网格生成方法包括映射法、基于栅格法、几何分解法、拓扑分解法、节点连接法五种。目前，正在研究的网格生成方法主要是这几种方法的混合使用及现代技术的综合应用。
①映射法：基本原理为先通过适当的映射函数将待剖分物理域映射到参数空间中形成规则参数域，对规则参数域进行网格剖分；再将参数域的网格反向映射回物理空间，从而得到物理域的有限元网格。映射法可以分为保角映射法、基于偏微分方程法和代数插值法三大类。映射法的优点是：算法简单、速度快、单元质量好、密度可控制。它既可生成结构化网格又可生成非结构化网格，既可生成四边形单元网格又可生成六面体单元网格，可用于曲线网格生成，可与形状优化算法集成，也可以和其他算法结合划分网格等。
②基于栅格法：用栅格覆盖在目标区域，删除完全落在目标区域之外的栅格并对物体边界相交的栅格进行调整、裁减、再分解，最后对内部栅格和边界栅格进行栅格级的网格剖分。基于栅格法主要分为正则栅格法和有限四（八）叉树法。
③几何分解法：在几何分解法中，近年来形成了一种最为成功的全自动网格生成方法——推进波前法。推进波前法首先离散模型边界并称为前沿；然后从前沿开始，依次插入一个节点，并连接生成一个新的单元；更新前沿并循环向内部推进。推进波前法对复杂的几何形状与边界的网格生成具有很高的灵活性及可靠性，且比较容易实现方向性精细化，但效率有待改进。
④拓扑分解法和节点连接法也是目前主流常用和研究的有限元网格剖分算法。网格剖分的实际应用中，由于模型的不规则性和复杂性，往往会根据模型特点进行模型拆分并进行多种算法的结合以及综合应用。
5.CAE软件多领域应用，行业龙头多为国外厂商
2020年，全球CAE市场被三大供应商所主导，分别是西门子、ANSYS和达索，市场占有率共计47%，前五大CAE供应商中另两名分别是Altair和Hexagon。CAE软件一般可分为通用类软件系统和专用类软件系统。
①通用类软件系统：分析功能覆盖几乎所有工程领域，功能强大，用户使用方便，计算结果可靠而且效率较高。目前广泛应用的大型通用类软件系统包括ANSYS、ABQUS、MSC/NASTRON、MARC、ADINA等。
②专用类软件系统：为了解决某一类学科问题或某一类产品基础件计算分析问题而编制的，如滚动轴承设计分析系统、车厢车架分析系统等，这类软件解决的问题比较专一，一般规模较小。
③ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用类CAE软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一——美国的ANSYS公司开发，它最突出的功能是多物理场分析技术，另外，这种软件系统还有显式瞬态动力分析工具LS-DYNA，它是显式有限元理论和程序的鼻祖，被公认为汽车安全性设计、武器系统设计、金属成型、跌落仿真等领域的标准分析软件。
④ADINA是老牌通用有限元分析系统，它的技术较成熟，集成环境包括自动建模、分析和可视化后置处理。这种软件可进行线性、非线性、静力、动力、屈曲、热传导分析、压缩、不可压缩流体动力学计算及流-固耦合分析等，适用于机械工业、土木建筑、桥梁、隧道、水利、交通能源、石油化工、航空航天等。
⑤Hexagon公司的MSC软件在CAE市场一直处于领导地位，收购了顶尖高度非线性CAE软件公司MARC等，这更为它在MCAE行业奠定了霸主地位。MSC丰富的产品线包括：目前功能最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析系统NASTRAN；专用的耐久性疲劳寿命分析工具FATIGUE；拓扑及形状优化的概念化设计软件工具CONSTRUCT；处理高度组合非线性结构、热及其他物理场和耦合场问题的有限元软件MARC等。
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