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CAE软件及公司历史回顾和分析

2020-09-11原力

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在工业软件中,CAE是重要的组成部分之一,从广义概念上说,CAD负责设计、CAE负责验证。

一、简要的历史回顾

    在工业软件中,CAE是重要的组成部分之一,从广义概念上说,CAD负责设计、CAE负责验证。如果忽略和CAD具有密切联系和继承性的CAPP、CAM,以及作为CAD一个专业分支的EDA(EDA现称为电子设计自动化,也被称为ECAD,即电子计算机辅助设计),可以说CAE和CAD几乎一起支撑起了工业软件的主要内容。而就采用计算机作为产品设计验证的手段来说,已知资料显示,CAE软件是早于其它工业软件发展起来的,例如最早的类比模拟计算机(Direct AnalogComputer)是为了解决工程分析问题(Engineering Analysis)而建造的,这一建设从20世纪30年代开始兴起,在50年代达到顶峰。我国也在60年代中期,先后研制出如M-2、M-6等的多种型号模拟计算机。在60年代随着工程分析中逐步普及数字计算机应用而被淘汰。

    模拟计算机中包含深远影响意义的是加州理工的吉尔伯特·麦肯(Gilbert D. McCann)教授负责建造的大型直接类比模拟计算机(Direct Analog Computer),以用于固体力学、流体力学和传热领域的工程分析。这台设备有2个版本,第一台大约在1947年前投入使用,更强大一台是于1948在诺曼桥物理实验室建成,而这一台模拟计算机的商业化运行可视为CAE软件的起点,MSC的创始人理查德·麦克尼尔(Richard MacNeal)是这台机器商业运行机构-计算机工程协会(CEA)的高管之一,另一创始人鲍勃·施文德勒(Bob Schwendler)也是员工之一。巧合的是CEA(Computer Engineering Associates)这个名称和在70年代末,由SDRC公司创始人创始人杰森·莱蒙(Jason Lemon)提出术语CAE(Computer-aidedengineering)只有一字之差。

    1966年由计算机科学公司(CSC)牵头,理查德·麦克尼尔的MSC公司参与了NASA的FEA计划NASTRAN,可以算是CAE脱离学术研究,有了第一套真正意义上投入到工程实践中的通用有限元软件。MSC为NASA开发的NASTRAN于1969年交付给NASA戈达德太空飞行中心。尽管MSC于1963年就开发了SADSAM(通过数字类比模拟方法进行结构分析)用于拱坝分析,但这还算不上通用FEA软件。

    70年前后是有限元工程分析软件主要面世的年代,ANSYS的第一个版本于70年底完成;CSI的SAP2000版前身SAP程序在1970年作为《有限元分析中的数值方法》一书的成果首发,SAP由于其学术性质,对包括中国在内的其它国家发展自己的有限元软件很有意义;MARC的非线性结构分析软件于1972年首发;接着在70年代后期,1977年之前MDI公司的刚体动力学软件ADAMS前身-铰接式机械动态响应(DRAM)的二维运动响应分析软件完成了开发;非线性结构分析软件ABAQUS则出现的更晚一点,大概在1978年HKS公司成立后上市;而SRAC的COSMOS则更晚一点,大概要到1982年才上市。当然需要提一下NASA的COSMIC NATRAN,它在CSC和MSC联合团队69年交付后一直由NASA委托在佐治亚大学运营并向公众提供服务,并于2001年选择了开源NASTRAN,代号NASTRAN-95。

    早在20世纪60年代中期,就有一些航天航空企业相续自行研发了一些专有的FEA程序,而因为不是通用软件,也不对外服务,所以并不为人所熟知。在80年代后期,还出现了一些为人熟知的FEA软件,如1985年推出的FEMAP;LSDYNA的前身DYNA3D起始开发在1976年,由于其初始面向超级计算机,等到分发可运行于其它计算机平台上的通用软件时已经是1986年以后了。

    当然还有很多现在知名的CAE软件,如流体动力学(CFD)软件,在1973年由帝国理工的小组开始雄心勃勃的研究计划,在1986年才谈到CFD的软硬件条件,并确定“That built bridgesof confidence between researchers and the used on the application side(industry and Power generation sectors)”,即在学术向应用转化时机成熟。另一CAE大类的电磁设计/电磁兼容(EMC)仿真软件代表HFSS的母公司Ansoft在1985年才成立。

    从国外回到国内,差不多在50年代起始,我国的科学家同步在模拟计算机上,还在有限元方法上开始探索,这一时间点和国际上兴起的工程分析应用基本一致。下面内容是整理《科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目》上的内容(原篇幅较长,这里适当的整理了一些时间点)。

    中国CAE技术研究从已故著名计算数学家冯康先生在50年代提出的有限元方法基本思想开始,几乎是和国外同步。60年代中期我国也出现了研究有限元方法的单位和学者。湖南省计算技术研究所的谢干权和李建华,发明的三维有限元方法和工程软件,1972完成调试,1973年成功应用于黄河水利委员会的工程项目,并于1975年发表了“三维弹性问题的有限单元法”一文,值得一提的是他们1973年发现三维有限元超收敛性,远远领先于国外。是世界首个发现三维有限元超收敛结论的,得到了世界知名有限元专家Michal Krizek(能查到的资料显示应该是当时捷克国家科学院的数学家)在学术论文中公开承认。

    20世纪70年代中期,大连理工大学研制出了DDJ,JIGFEX有限元分析软件和DDDU结构优化软件;北京农业大学李明瑞教授研发了FEM软件;80年代中期,北京大学袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和改造,研制出了SAP-84;航空工业部从70年代初开始陆续组织研制了HAJIF(I,II,III),YIDOYU,COMPASS(目前在一部分开发工作,我司有参与)。这些国内CAE软件与国外同类产品相比,在核心算法和若干功能上有很多特色,反映了我国学者在计算力学研究中取得的成果。

    当然我们知道在那个年代,受国情、体制等一系列影响,我国的相关科研成果未能转化为商业化和市场行为,在90年代后国外产品的冲击下,逐步销声匿迹了。

    在这一节里,主要回顾了一些早期对CAE(这个术语的确立要比工程分析技术和仿真软件研制晚了近30年)软件发展具有深远影响的个人和公司。里面没有提到其它国家的情况,并不是说其它国家没有作为,例如英、法、意,以及前苏联,这些地方应该同样有不错的成果,只是大多数属于航空航天业的专有工具,在商业化上没有什么作为罢了。

二、有关的背景分析

    CATIA源于达索、UG(NX)源于麦道,80年代初,三维CAD工具背靠航空发展而来。与之性质相似,但背景稍有不同的CAE软件背靠的行业主要有两个,一个是众所周知的NASTRAN起源地NASA,另一个有着重要影响的发源地是核能源。

    三维CAD的发源,在我一篇讨论达索系统的文章中有提到,它首要目的是为解决CAM的上游业务问题产生的。CATIA如此(另一文章有较详细论述),UG也不例外,它的源头麦道内部系统是为1972年联合计算公司(UCI)的世界首套CAM产品UNIAPT提供三维建模能力,初始代码来自于“CAD/CAM之父”帕特里克·汉拉蒂(Patrick J. Hanratty)的ADAM。

    CAE软件的发源,是为了解决更大规模和重大的工程分析问题,当解决此类问题的模拟计算机发展达到天花板之后(大多数此类计算机最多能解决200个自由度,极限也只达到2000个自由度),能够通用并有更广阔增长空间的CAE软件随之兴起。21世纪初,能处理数百万单元的CAE软件已经比较常见,而现如今,运行于超级计算机上的工程分析软件,可计算的单元轻松可以达到数十亿个。

    从早期CAE软件发源地来看,航天和核能源是工程分析需求最旺盛的行业。例如MSC为NASA开发了NASTRAN、PDA的PATRAN产品关键人物克兰参与过NASA的阿波罗登月(Apollo)和空间站(Skylab),ANSYS创始人早期为西屋电气工作过,ABAQUS第一个客户是西屋电气,而作为CAE先驱之一的MARC公司的主要客户也是西屋电气,还有最主要的FEA开源软件Code-aster是法国核电站建设时期配套研制的。早期CAE软件的稍晚后进如MDI、CADSI的软件则主要面向汽车行业。虽然早期有很多杰出的工程分析专家都为航空企业工作,但从资料中可以看出,他们的主要工作都集中在航天领域。其实早期的CAE软件发源于航天和核能源行业也好理解。50年代到90年代间是航天和核能源大发展时期,核电站建设从50年代起步,70年代的石油危机促成了世界核电的大建设,到79年的三里岛和86年切尔诺贝利核电站严重事故告一段落,差不多共建造了400多座核电站。70年代的航天竞争进一步激发了各种工程技术的创新,东西方在航天上投入了无比狂热的竞争,尤其是在登月和空间站工程上。

    MSC公司大约是在这样的背景下开始创业的,从麦克尼尔的《SomeOrganizational Aspects of NASTRAN》文章里大概可以看出NASA为了统一内部工程分析的使用,开始整理相关规范,从“通用规范征集意见”开始。并发出了两份“预研技术评估报告”的合同,一份给了CSC牵头,MSC和马丁飞机公司组成的团队,另一份给了麦道,NASTRAN就是这份合同的产物。这里还有点有意思的事情,国内MSC NASTRAN的各代理商,包括MSC分公司,宣传的最大卖点就是MSC NASTRAN是为NASA登月工程而开发,这个说法我未能找到可靠的证据(最接近的是MSC一位负责销售的副总裁回忆录中宣称在他学生时代因登月工程中NASTRAN的作用而受到激励,促成了他后来加入MSC,也许这就是流传在外MSC NASTRAN为登月做过贡献的宣传出处吧)。首先阿波罗11号首次登月在1969年7月20日,而MSC把NASTRAN交付给NASA的时间也是69年,这在时间上来不及,因为NASTRAN并不是在3年的开发时间中因为工程验证而拖延了交付期,而是因为需要运行NASTRAN的大型机NASA一直未能就位而推迟;第二是在NASA网站上介绍NASTRAN,其典型案例不是什么航天工程,而是1977年用它为迪士尼乐园的太空过山车项目做的工程分析;还有一点较为隐匿,当时深刻参与NASA登月和太空站项目的是麦道,PDA的关键员工路易斯·克兰(Louis Crain)当时为麦道工作参与了这些项目,并用成果促成了PATRAN的开发。当然这是个梗,争论它没有什么意义。其实MSC的延期交付反而成就了它自己的NASTRAN,因为NASA的专用大型机迟迟不能到位,MSC的开发是在IBM和CDC的大型机上进行的,这给了MSC自立门户,推出自己更为通用,并能快速部署到商业计算环境的软件创造了条件。

    在另一核能源领域,西屋电气公司是当年美国核电的最重要企业,有点类似施乐公司对个人电脑操作系统的巨大贡献,一大批创新企业因西屋而始,尤其在CAE软件行业,现今结构分析三驾马车之二ANSYS和ABAQUS都和西屋电气有着千丝万缕的联系。还有非线性结构分析的先驱MARC公司也是西屋的供应商。详细的内容这里不展开,有兴趣的可阅读后面的译文。

    根据前面的一些背景,我们来分析一下CAE软件起始的行业的一些特点。50到80年代,行业需求牵引主要有四大刚需市场:航天、航空、汽车、能源。在当时的世界范围内有两大影响深远的事件,第一是东西方冷战催生了航天和航空两大行业的热潮。航天发射活动络绎不绝,空间站和登月这样的大工程也竞相开展,而航空行业三代、四代机新机型、新用途的型号层出不穷;第二个大事件是石油危机,石油危机全球范围内带动了两个行业,核动力和核能源,还有就是汽车行业的全球洗牌。三维CAD/CAM因航空和汽车业而起步,对于CAE来说当时的航空汽车并不是主战场,毕竟这些行业有成熟完整的工程过程,尤其代表创新而不是生产力的新技术并不容易在成熟行业一下被广泛接受,而提高设计与制造的生产力工具就更有市场。

    而对于航天和核工业来说,建设的工程都是前所未有的科技密集型项目,也不存在批量制造的要求,而且无论航天还是核能,传统的试验手段并不适用,因为它们的产品绝大多数都是一次性的,并没有太多机会进行充分试验验证后才投入使用。这些背景是CAE软件所代表的新技术得以被关注,并大力扶持和资助的重要原因。

    实际上,这种规律在国内相关行业里同样适用,国内的航天和核能自主能力和引入新技术能力相对其它行业更快速,更愿意投入。而其它行业对成熟技术更关注,这里面有禁运的问题,但不是主要原因,主要还是行业需求形成刚需并转化成了相应市场行为的体现。

三、早期产品定义的逻辑

    早期的CAE软件作为FEA技术的从学术走向工程,其能够产出的成果还很单一,市场也很小。受制于当时数字计算机的条件,以及相应配套生产力工具的缺乏,CAE软件的产品定义主要集中在几个方面。

    第一个是解决大型,复杂的线性有限元问题,这类问题主要集中在结构的刚性位移,结构强度等固体力学方面,此类问题计算量可控,可通过单元简化和替代来分析足够大型复杂的装备,这一点是符合当时算力条件的,如NASTRAN、ANSYS、ABAQUS的早期版本、COSMOS、SAP、PATRAN等。对于这一点,我们可以看看麦克内尔获得的NASA合同中定义的指标,和MSC为此所做总结的建设目标:

    “这次采购的目的是为NASA提供可以在最先进的条件下开发的最现代,最高效的程序。该规范的目的是将最理想的功能整合到通用程序中,可以作为NASA范围内的标准来接受。

    该程序的目的是在各种载荷条件下分析复杂几何形状的大型线性结构。这将是一个数字计算机程序,能够连续和逐步分析,从几何和弹性的数学模型的组装,通过静态和动态属性的确定,到对静态和时间相关载荷的响应的解决方案,以及结构控制-反馈稳定性分析和/或随机载荷的光谱密度分析。解决方案是遵循矩阵方法。为了尽可能现代和高效的程序,避免过早过时的风险,源语言被指定为Fortran IV,但须符合第2.8条的条件。输入和输出信息将被标准化,以允许不同制造商的NASA数字装置之间轻松通信。

    对这些指标的分析为该程序设立以下总体目标:通用用途、NASA范围内的标准、解决最大,最复杂的线性问题、静态能力和多种形式的动态能力、程序长寿命、在多类型计算机上实现。

    直到最近,输出数据应自动从一种计算机传输到另一种类型的计算机的进一步含义从未被认真对待”

    第二个是集中在机械运动学方面,这类问题主要是利用刚体动力学,用于分析机械的运动、传动等动力学问题,基本都使用简化单元来建模,如连杆、齿轮、传送带,铰链等,这个方面作为宏观上研究机械运行而采用的算法对计算机的要求同样可控,如ADAMS、DADS等。

    拿ADAMS来说,其初始开发时需要通过软件解决这样的问题:通常工程师在设计具有复杂运动部件的对象时会面临两个主要问题:机构如何以预期的方式运动以及当对象在其运动范围内运动时,这些部件上将承受什么载荷。而DADS源自美国陆军陆军坦克与汽车司令部(TACOM)的项目,主要为了帮助工程师解决受限多体机械系统运动方程求解的问题,并提供提供必须的计算稳定性、准确性和可靠性。

    第三是非线性固体力学,这个要晚很多,例如ABAQUS、MARC的Mentat等,非线性分析规模要远大于线性问题(像Moldflow这样铸造专业也可以算为非线性专业),所以到80年代以后才逐步发展到可实际应用。

    非线性是更贴近客观现实的现象,有句话是这样的“世界是非线性的”。对于非线性简短引述一下非线性分析的含义:

    “我们生活的世界大部分物理现象不一定是线性的,这些现象就称为非线性。例如橡胶等材料对载荷和约束的响应与大多数金属物体的响应截然不同…金属产品在成型时的反应也与操作中的反应不同…通过热锻制造的零件…零件的形状会发生变化…因此该过程变得更加复杂。”

    非线性在很多情况下是和刚体动力学相对的,刚体动力学研究在载荷和约束情况下,宏观物体的运动规律,非线性研究精细度的物体在材料、载荷和约束下,产生的变形情况。后续非线性发展为高度非线性,在解决高度非线性上,采用有限元方法已经无法准确和收敛的进行计算了。

    第四,CAE软件初期,还有一个需要共同面对相同问题,就是前后处理器。创建尽可能符合要求的有限元模型,并能够图形化直观的显示求解结果,并减少在改进和优化迭代过程中的重复工作,这对当时CAE软件是一个巨大挑战。前面说过商业CAE软件发布几乎要比商业三维CAD软件差不多早10年,虽然CAE中可以通过分解问题把三维问题降阶为二维进行分析,或采用简化模型来替代,但可用的前后处理器都是必须的。

    NASTRAN比原定计划推迟交付的原因中就存在这方面问题无法解决的原因,而ANSYS一开始就关注了前后处理器,计划开发出带有前后处理器的FEA软件,并为此发布了PREP7和POST1。这里所说的前后处理器和我们现在所看到的完全不同,它们实际是某种命令行语言,到目前为止ANSYS的APDL中很多命令还是来自于PREP7前处理器。而NASTAN的前后处理器是封装FORTRAN语言的DMAP,NASTRAN真正拥有自己的前后处理器MSC/XL已经是1989年的事情了。

    前后处理器的先驱是PDA的PATRAN,其早期版本中主要利用CAD导入数据创建或直接创建几何来创建FEA模型的交互式实现方式;还有一个就是泰克公司的FM181,这家图形终端生产商在1977年开发了完全离线地交互式构建FEA模型的软件,这在大型机和分时共享服务为CAE软件主要运行环境的70年代,的确是重要创新(关于前后处理器,在某种程度上反应了CAE厂商的商业模式,这会在下节内容中讨论);现今,前后处理器的领头羊则是后进1985年成立的Altair公司,它的拳头产品Hypermesh发布于1990年。

    而流体和电磁那是90年代以后的事情了,它们的出现,并不是因为数学模型和算法的滞后,主要是因为计算机算力的滞后和制约。

    可以看出来对于CAE软件来说,任何时期,定义符合现实计算条件,形成具有自身特色的生产力工具尤为重要。CAE软件生存并不由其理论算法决定,在目标客户范围的通用性,满足目标用户基本的可操作性,与计算力均值的匹配程度,分析结果的稳定性、可靠性而不是精度这些因素都对其商业推广作用关键。

    目前国内CAE软件在算法上并不落后,也不存在突出的知识产权问题,CAE基本算法的来源基本都是科研和学术成果,它们一般以公开发表的论文形式对外共享,在具体实现上需要各厂商自己落实。反而在各自的商品化路径上各不相同,并且封闭。

四、商业模式与冲突

    在早期的CAE厂商里,到现在还依然独立存活的不多,例如后面文献中从1992年3月的《计算机辅助设计报告》列出了28家提供CAE软件公司中挑选了有具有深厚行业影响力的10家介绍(泰克是一家监视/检测仪器的公司,可以不算在里面)。目前还独立运营的就剩ANSYS了。其它家或早或晚的合并到当前的几家“巨头”中或者被某资本私有化(如MSC公司)了。为什么会一家CAE厂商被别人吞并而不是吞并别人,让我们从商业模式上尝试分析一下原因。

    值得拿出来大书特书的首选是MSC,客观的说MSC的NASTRAN产品本身非常棒,这是MSC经理多次风波还能幸存的基础。让我们简要捋一下MSC的事件树。

    1)MSC在1965年开始试图参与NASA的FEA通用程序预研,未能参与进IBM或洛克希德公司的团队,退而选择和CSC合作,66年竞标成功拿到了2个合同之一,价值不高,100万美元,后从中分得了63.5万(对于4个人的小公司,这当然是笔大钱)。这次机会是MSC后期成功的最大机遇。CSC是家为主要计算机制造商提供软件编程服务的软件公司,63年成为美国最大的软件公司,它的主业是提供编程工具,如汇编器和编译器软件,而与NASA的合同是它获得的第一个美国政府部门的合同。在NASTRAN开发时,编程是由CSC完成的。这样就能很容易理解,MSC阴差阳错选择到了对它最有助力,但却毫无威胁的合作伙伴。反观达索系统,它几乎让IBM钳制了20年。

    2)MSC执行的合同,明确表述了通用性、跨平台、数据标准指标,这相当于是会成为美国政府最强有力科研机构支持的公开标准。

    3)NASA专用计算机的拖延给了MSC NASTRAN兼容其它计算机的时间,尤其是IBM和CDC,这代表后面近20年的硬件标准。

    4)据说,在NASA和MSC关系破裂前,MSC拿着NASA的经费,打着NASA的旗号,发展了自己的MSC NASTRAN,这为后来的反垄断埋下了祸根,但不得不说,这一不太道德的行为,在商业上极其成功,而和NASA了结这事,MSC仅仅花了12.5万美金就得到了NASTRAN的所有权利。

    5)收购Aries使MSC产品链条完整从而不受制于CAD公司;收购PDA补全其前后处理器等短板;收购MDI补充了其机构动力学短板;收购MARC补全其非线性短板。尤其是收购PATRAN持有公司PDA时,PDA正陷入财务造假官司之中,花费的代价跟白捡一样。到1996年MSC在FEA市场再无对手。

    6)MSC遭遇的反垄断案让MSC伤筋动骨了吗?1999年被因收购UA和CSAR遭指控被反垄断调查,2003年被判垄断而认罪,但并未被分拆。虽然ANSYS和UGS从中获利,但在垄断调查期间,MSC收购了MDI并以和AES换股的方式形成了和达索系统互相持股的局面。不仅补全了在结构分析上的最后一块拼图,而且可以借助达索CATIA在汽车行业的市场地位扩大在汽车行业的影响力,当然收购AES绝对是MSC走得一招大臭棋。

    7)真正伤害MSC的是创始人麦克尼尔的离开。麦克尼尔他离开MSC并另创立了tMG公司专注到工程咨询市场。那时起MSC领头人像走马灯似的更换;公司收购AES和盲目向云服务转型这样错误的政策层出不穷;公司专业人才基石分崩离析;雪上加霜的是反垄断后,UGS和ANSYS的大力挖角;到2009年,对冲基金艾略特管理公司和交响乐科技集团做空并收购了MSC。自此MSC一蹶不振,到2017被瑞典工程服务集团Hexagon AB收购,从一家行业领头羊坠落。从2009年到2017年间,MSC的收入一直在2.3亿美元左右,对于一家由资本把持的高科技企业,这种几乎10年保持的负增长是完全不可接受的,它最终被无情抛弃时,其实没人在乎MSC在结构专业领域的真正价值。

    纵观MSC的发展,它的核心商业模式可以归纳为3点,第一,自始至终坚持在结构分析市场(麦克尼尔一生发表的学术论文基本集中在NASTRAN所擅长的杆、壳、板,以及连接的模拟单元上),期间也曾向电磁,动态分析扩展过,但后来都毫不犹豫的舍弃了;第二,无论通过自研,并购还有合作始终保持了自身产品链条的完整性和独立性;类似CADSI这样把自身产品与其它产品捆绑的公司,可能有公司经营的高潮,但基本都未最终成功;第三,MSC公司的领导者从科学家向商人转变的非常成功,从一开始,MSC的商业行为就按照“生意”来做,而不是当作“技术”,从搭上CSC、从NASA合作中不当获利、到后期在市场上利用事实的垄断地位打击竞争对手。但是可惜的是没有麦克尼尔的MSC公司开始处于混乱中,从一个失败走向另一个,直到2009被对冲基金收购并且退市,在2017年,以区区8.3亿美金出售给瑞典工程服务集团Hexagon AB结束了辉煌的历程,而同年Siemens收购Mento的价格是45亿美金。

    再看看另一家成功的CAE公司ANSYS。虽然ANSYS的首版发行时间并不太晚,在1970年底发布,而当时MSC还在搭伙NASA,没有自己独立的版本。但直到1994年初,ANSYS实际也就是家默默无闻的公司,虽然很有潜力。ANSYS的转折是私募公司TA的投资,TA入主ANSYS成功的第一件事就是干掉了创始人斯旺森,而斯旺森也欣然激流勇退回到学术领域,但依然保留了ANSYS的首席科学家职务,并未造成公司的人事混乱。从斯旺森的人生经历来看,他更多的是个有眼界的科学家。

    捋一下ANSYS的特征:第一,专注自身产品线的独立性,ANSYS是第一家一开始就规划完整产品形态的CAE公司;第二,ANSYS可能是在引入资本运作上做的最彻底的公司,斯旺森丝毫不恋战夺权。很多失败的案例都证明在科学家主导的公司中这一点非常难能可贵;第三,关注点在有充足资本依靠下,快速转向多学科这一尚属空白的领域,第四,不追求求解器的先进性,而是把竞争力放在通过集成解决方案来最大化的提高生产力上(更强大和更高效的前后处理能力)。

    早期CAE厂商中还有很多商业模式,结果都未能真正发展起来,例如非线性的先驱MARC、最好的机构运动学软件MDI公司、曾经最强大的前后处理器PDA公司等等。总结一下,这些公司或多或少的在商业模式未能和时代特点所契合。大致会有这么几个特点:第一,公司领导者过多表现出学术化,追求最先进的技术或解决最复杂的工程问题而不是关注商业成功。这一点也不奇怪,CAE的创始人到现在为止,几乎都是出生于科学家。科学上的“天才”可真不代表商业上的成功;第二,轻视产品定义上独立性,太注重在某项独特核心竞争力上,而放弃了作为整体解决方案的独立性,这对于CAD/CAM来说是可行的,但在CAE领域,所谓独特核心竞争力几乎不存在;第三,后继无人的尴尬比较常见,大量的CAE公司,因某个学术上“天才”而起,但因这个超人的能力因无人接续而败。这些问题至今在CAE行业依然层出不穷,这是值得国内从业者思考的。

    还有一些商业模式,阅读者可以在后文中自行总结,例如商品形态、定价规则、上下游协作关系、软件架构的影响等等,这里就不多说了。

五、“小生意”,“大门道”

    翻阅CAE软件厂商的历史,会有一个很强烈的感觉:CAE行业整体只能算个“小生意”,例如ANSYS算是现在最成功和最大的独立CAE公司,现今的市值是214亿美元,类比一下现在大家很熟悉的吉利德科学公司,这家1989年创立的新药公司目前市值938亿美元。MSC公司2009年被对冲基金收购后走了背字,到2016年年收入还基本保持与2009年持平的2.3亿美元,换算到货币贬值等因素,基本是在负增长。再看看2019年发生的收购案例,达索系统以58亿收购了Medidata,一家医疗云服务公司。

    所以CAE软件,先不论其意义有多大,但总体来说它属于一门“小生意”。不过CAE行业的意义确实非凡,它不仅仅针对制造业,实际上它帮助我们以一种直观的方式来观察客观世界,预测和认知现实中的复杂的物理现象,对人类对客观世界的改造能够达到或预期达到的效果提供了可量化的表达,这是CAE行业的“大门道”。这里引用的《Computer AidedEngineering》一书中8.1.1节的一段表述:

    “计算机辅助工程(CAE)是使用计算机软件来模拟产品的性能,以改善设计或促进解决各个行业的工程问题。应用程序软件可能包括产品,过程和制造的仿真,验证和优化。

    通常,CAE流程包括预处理,求解和后处理步骤。在预处理阶段,工程师以施加的载荷或约束的形式对设计的几何形状和物理属性以及对设计的环境影响进行建模。在求解阶段,使用基本物理学的适当数学公式来求解模型。在后处理阶段,将结果呈现给设计者进行评价和分析。

    换句话说,CAE可以在产品开发过程中使用,尽管它也可以用于产品的整个生命周期,并且可以包括产品的维护和处置阶段。它涉及各个步骤,包括设计和开发计算机化3D设计模型的过程以及访问,增强和使用此信息的所有系统。

    CAE的一些好处为:

    产品开发成本和时间减少,产品质量和寿命得到改善。

    产品设计可以实施,评估和改进。

    基于计算机仿真的设计将替代物理原型测试,并节省成本和时间。

    当设计变更的成本降低时,CAE还可以在开发阶段之前就提供有关产品性能的建议。

    CAE提供有关产品设计的风险和可靠性工程的评价。

    结合了CAE数据和流程管理,可以有效地增强性能洞察力,并改进设计以适应更广泛的应用。

    通过识别和消除潜在问题来降低维护成本。如果将CAE正确地集成到产品设计和制造开发中,则可以更早地发现问题,从而可以大大降低与产品磨损相关的成本。

    在应用科学的许多分支中,人们要应对的问题包括应力,应变,振动,热传递,流体流动,电场和磁场等复杂系统,仅举几例,这些通常是使用复杂的微分方程组建模的很难解决。因此,难以计算应力,频率,温度,磁通量,电势等的值。研究人员使用一种方法是将研究中的复杂几何系统分解成小的规则形状的单元(例如,立方体),每个单元都易于解决。每个单元都根据物理方程与其邻居相互作用,然后依次求解。在整个系统开始缩小(或收敛)到一组有用的答案之前,可能必须执行多次。这种方法称为有限元分析(FEA)。工程师利用CAE进行解决问题所需的大量计算,因为这些计算通常远远超出了人力的极限。”

六、最后的讨论

    本文中主要公司和人物描述集中在了2007年以前,首要原因是文后的素材内容基本截止到2007年;另外2007年之后,CAE公司的格局基本成型,资本运作良好的企业开始赢者通吃的戏码;还有就是CAE的市场形态已经足够成熟,还未见到足以动荡生态环境的颠覆性事件发生;还有一点是出于个人原因,2009年MSC退市那一年是我正式从业CAE行业的年头,那时至今对CAE行业分析已有很多文献,我作为后进不宜过多讨论。

    自1960年《平面应力分析中的有限元法》发表后,到今天,CAE的从学术向商业化转化正好经历了60年,这篇回顾也算是一种纪念吧。

    CAE软件行业这60年来其本质并没法发生变化。如果把CAD/CAM/EDA工具看作生产力工具,虽然CAE前后处理器带有生产力工具的某些特点,但CAE软件本身还不能简单的归入其中。就像前文引用对CAE作用总结所说,CAE能够提高效率和降低成本,但它到目前的作用依然是Aided,为辅助求解问题而存在,还远未让达到用户沉浸于其中的作用。

    纵观CAE的历史,60年来,我们可以看到CAE相关理论基础虽然不断有新概念和新方法出现,并未发生真正动摇过原有基础,已有工程实践也已经足够成熟和完善,这对当前在CAE上创业和创新形成了掣肘。这对于现在国产CAE软件的创业和发展是不利的,因为我们可做的事情只能重复前人走过的道路,或者在已有的路线上延伸,而很难开辟出新的道路。也许随着物联网、边缘计算、人工智能、AI芯片、5G等新科技的兴起,CAE行业会迎来新的机遇和转折。但考虑到当前的现实,结合曾经发生过的故事,作为国产CAE创业者可能会有几个问题值得思考:

    1)当前时代预期CAE发挥最大作用,需要的CAE到底是什么样的?

    2)软件是否可以兼得最先进、最现代、最高效、最通用的特性?或者是选择那条路径?

    3)如何保持产品的独立性,未来性和通用性?

    4)目标客户群的选择是否能够兼得?是否能使软件最大化利用算力条件,又能使尽可能多的拥有生产力工具性质?

    5)用科学家的价值观是否能够让CAE软件成功?包括掌握特色的算法是不是足以在竞争中立于不败之地?

    6)CAE行业通常是节奏缓慢,没有太大风险的行业,从三两个人的小作坊,到有千百人的大企业相互都能相安无事。那么CAE创业时企业的愿景和目标是什么?

    7)无论国外国内,如何吸引资本,并利用资本,而不是被资本反噬?

责任编辑:程玥
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