一、CAE概念与结构

  CAE即计算机辅助设计（Computer Aided Engineering），狭义上主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。CAE涵盖领域包括有元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）、多体动力学（MBD）、耐久性和优化等。

图1：CAE主要指用计算机对工程和产品性能进行模拟分析

  从CAE软件基本结构来看，主要组成部分包括：用户界面、数据管理系统、数据库、专家系统和知识库五大模块。其中数据管理系统是使用CAE软件进行性能分析或模拟时用到的核心部件，一方面通过接口实现CAD、CAM等格式文件的输入，另一方面提供前处理、求解分析（大多为有限元分析）、后处理三个流程实现仿真模拟。求解分析模块根据处理问题的不同，又可以细分为静力线性子系统、动力分析子系统等众多分支。

图2：CAE软件由用户界面、数据管理系统、数据库、专家系统和知识库五大模块组成

资料来源：《计算机辅助工程（CAE）技术及其应用》

  从核心工作流程来看，CAE软件仿真过程包括前处理、求解、后处理、优化、报告。前处理过程包括几何图形处理、网格划分等；求解过程主要包括模态、刚度、强度等分析方式；后处理过程包括展示位移、应力等动图；优化过程主要针对仿真结果设计进行修改，并再次回到前处理流程；最终获得合意结果后，通过图形化方式向用户进行报告。

图3：CAE各个环节概览

资料来源：CSDN

  前处理过程来看，前处理模块的主要用于对工程或产品进行建模，完成分析数据的输入，建立合理的有限元模型。具体来说，前处理模块主要功能包括给实体建模与参数化建模、构件的布尔运算、单元自动剖分、节点自动编号与节点参数自动生成、载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入、节点载荷自动生成、有限元模型信息自动生成等。

  求解过程来看，以有限元分析模块为例，主要流程包括对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。一般而言有限元分析模块有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。按照对象的物理、力学和数学特征，求解过程可以分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。

  后处理过程来看，后处理模块主要基于求解分析结果，以图形方式向用户展示仿真结果。具体而言，后处理模块主要功能包括对求解分析结果进行数据平滑、对各种物理量进行加工和显示、对工程或产品设计要求的数据检验和工程规范进行校核、设计优化与模型修改等。具体包括结果数据的平滑处理、所求物理量的极值与位置，绘制结构b变形图、应力分布图和振型图等。

  二、CAE的计算与应用场景

  数学理论进步，算法不断演进，推动CAE解决问题能力提升：CAE算法本质是数学理论的应用，数学理论的进步推动算法提升，从而能够对更加复杂的物理模型进行计算求解，CAE解决问题的能力也由此进一步提升，随着数学理论的进步，CAE所能解决的问题从线性、单体建模、单一场分析、尺寸参数优化进步到非线性、多体系统、多物理场耦合、形状优化。

  算法应用范围不断扩展：算法的演进有助于其向更多的应用范围拓展，以有限元算法为例，从最初的求解结构的平面问题不断拓展，由二维扩展到三维、板壳问题，由静力学扩展到动力学、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等，由线性扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料。

图4：算法应用范围不断扩展

  不同计算特点适用不同计算场景。从计算耗费资源及精确度看，有限元法和边界元法在低频场景较为适用、统计能量分析法、声线声锥法较适用于中高频场景。

图5：不同计算特点适用不同计算场景

  多物理场耦合在产品开发方面面临数据传递等问题。多物理场耦合理论基础为求解PDE：求解多物理场耦合的理论基础是偏微分方程(PDE)，但与单物理场求解不同是是要同时求解多个偏微分方程，即偏微分方程组(PDEs)。由于求解较为困难，实际应用中往往采取变通解法简化计算。多物理场耦合求解涉及数据传递等问题：在多物理场耦合求解中往往根据物理模型对耦合类型进行划分，涉及不同格式数据交互，不同场间数据传递，网格匹配等问题。其中信息传递的精度是影响求解准确性的关键因素。

  算力进一步提升，真正的多场耦合有望实现，仿真效果或将进一步优化。多物理场耦合求解计算量较大：随着计算机性能的提升，多物理场耦合自90年代至今逐步从理论走向实践，但由于计算量较大，当前的多物理场耦合往往还是采取各种形式的简化方法，仍然涉及多种软件、算法以及数据互换的问题。

  三、政策与市场

  3.1 工业软件近三年政策汇总

图6：2018-2021工业软件相关政策

资料来源：索辰信息招股说明书

  工业软件、工业互联网研发建设得到政策大力支持。完善而强大的工业体系，需要完善的工业软件来支撑。近年来，国家密集出台多项支持鼓励工业软件、工业互联网发展的政策，政策上为其发展打开空间。

  从工业软件的税收鼓励政策导向来看，属于国家鼓励软件企业，自2020年1月1日起，国家鼓励的软件企业，自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率减半征收企业所得税；属于国家鼓励的重点软件企业，自2020年1月1日起，国家鼓励的重点软件企业，自获利年度起，第一年至第五年免征企业所得税，接续年度减按10%的税率征收企业所得税。

  3.2市场概况

  经过多方数据参考以及比较，其中包括赛迪智库、中国电子信息产业年鉴、华经情报网、《中国工业软件产业白皮书（2020）》和亿渡数据等，报告以谨慎性角度出发，按照中国占比世界CAE市场约8-15%并且逐年上升的态势，最终采用亿渡数据的分析数据提供参考。

  工业仿真模拟应用程度加深为CAE市场发展提供动力，2017-2021年全球CAE市场保持较快增长势头，2021年市场规模增长至83.74亿美元，5年CAGR为10.93%；预计随着CAx软件融合化发展以及软件云端迁移的不断推进，2026年全球CAE市场规模将稳步扩大至123.40亿美元，5年CAGR为8.40%；

  中高端工业的复杂度持续提升为中国CAE市场发展加速奠定基础，2017-2021年中国CAE市场实现快速增长，2021年市场规模增长至56.25亿元，5年CAGR达到19.54%；

  随着国产化进程持续加快、技术积累不断加深，在整体水平落后明显的背景下中国CAE市场将以更快的速度增长，2026年市场规模预计扩大至148.04亿元，5年CAGR提升至21.95%。

  市场结构较为稳定，有限元分析是最为主要的组成部分。从全球CAE市场结构看，有限元分析是其中最为主要的组成部分，其次是流体力学分析、多体动力学分析和仿真优化，有限元分析市场规模占比在2014、2015、2019年分别为56%、53%、56%，流体力学分析占比分别为23%、25%、26%。从趋势看，整体结构较为稳定。

  汽车是目前最主要的应用场景。从CAE应用的具体场景看，汽车是目前最主要的应用场景，据marketintellica，2019年全球CAE市场中36%的收入来自汽车行业的应用，其次是电子电气、航空航天及国防，占比分别为22%、21%。

  全球CAE市场的12大领导厂商处于主导地位。全球CAE市场的主要厂商包括美国ANSYS、Math Works、德国Siemens、法国Dassault Systemes、ESI Group等。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。

图11：全球主流的CAE产品特点及其提供商

  海外厂商起步早、收入体量大，头部企业集中度高。美国于上世纪五六十年代起投入开发CAE，之后在工业和信息业发展的背景下，促生了大量细分领域CAE企业，并于21世纪掀起的并购热潮中不断被集成，最终形成数家产品矩阵全面、商业体量庞大的CAE巨头。以Ansys为例，其旗下通用及定制型CAE软件覆盖结构、流体、机械等多领域功能模块，在汽车、航空、机械等行业充分应用，22年营收达20.66亿美元，收入体量大。目前CAE市场已经形成高集中度的市场格局。根据IDC数据，2021年全球CAE前三大供应商Ansys、西门子和达索系统市占率总计77%，行业集中度非常高。国内CAE软件起步较晚且发展缓慢，20世纪90年代引入海外厂商后始终被其占据主要市场。根据IDC数据，2021年中国制造业CAE市场中，前三大厂商均为海外CAE厂商，共占45.8%的份额。

  头部厂商仿真分析能力更为全面，占据我国CAE主要市场份额。从市场竞争格局来看，Ansys、西门子和达索系统在2021年中国CAE软件市场排名前三。头部厂商在CAE产品的技术和应用方面各有特点，但均采取了相似的产品发展策略：在保持高研发投入的同时，通过持续的投资并购不断完善仿真产品拼图。此外，安世亚太、欧特克、海克斯康、上海索辰分列第四到第七。

  中国CAE软件企业发展较晚，与国外龙头企业差距大，通用CAE产品方面的关键技术自主可控程度较低，产品化、集成化和规模化程度不足；专用CAE产品方面在覆盖度、成熟度、易用性等方面有较大差距；中国CAE软件企业的商业化开发程度不足，导致核心技术不能集中，整合未能形成明显规模效应；报告整理了中国国内的一些企业，部门上市公司总结将在第五节估值价值分析中给予阐述。以下是国内相关一级市场玩家总结，仅供参考：

  资料来源：三泽创投研究院、天眼查、各公司官网

  四、CAE行业的趋势、发展与挑战

  4.1 CAE发展趋势

  ① 以仿真为核心的“正向设计”是我国工业自主创新的必经之路

  “正向设计”是指从需求出发，通过各种设计理念、方法和工具设计出产品的各类要素，以制作一个全新的产品。我国工业在发展过程中，从产业链角度，偏加工、组装和制造，但是前端的产品设计环节中，原始创新不足，正向设计能力欠缺，更多的是做“逆向工程”导致在高端制造领域与部分发达国家存在一定的差距，成为制约我国制造业转型升级的重要因素之一。CAE 仿真是实现产品正向设计、原始创新的核心工具软件。

  ② CAE技术融入到制造业的各个环节，重要性愈加凸显

  现代制造业产品越来越复杂、功能越来越齐全，产品设计呈现数字化、专业化、集成化等特点。作为一种功能强大的工具软件产品，CAE 软件正在成为数字空间和物理世界融合的最重要的工具，其所带来的核心变革是在产品全生命周期持续利用 CAE 技术实现对试验的替代。

  ③ 工业软件国产化趋势

  近年来，我国制造业转型升级步伐不断提速，多部门颁布智能制造发展相关政策，以推动产业数字化发展，大力推动自主可控工业软件推广应用，提高企业软件化水平。出于对先进制造和信息安全问题的考虑，国产工业软件进入国内大型企业的步伐也将加快。在国内政策推动及宏观环境影响下，工业软件国产化将成为工业软件行业的长期发展趋势。

  ④ 工业软件云端化趋势明显

  工业云平台本质属于工业互联网，是智能制造的重要载体。云计算技术能够提供弹性、可扩展、高性能的计算资源。通过搭建仿真云平台，可以将仿真技术在中小企业中普及推广，中小企业可通过购买服务的方式进行仿真设计，降低研发创新成本，满足激发中小企业创新活力的需要。

  ⑤ 通过仿真模拟，构建数字孪生体

  数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，从而反映物理实体的全生命周期过程。企业的恰当运用可以帮助企业提高运营效率，开发效率，节省试错成本。数字孪生是产品创新的崭新技术手段。。

  4.2 行业面临的机遇

  ① 政策推动行业持续、快速发展

  工业软件行业的发展工作提高到国家战略发展高度，获得了大量国家政策支持，有利于促进行业全面快速的发展。上述政策支持将使相关公司得以在相对宽松的行业环境下发展，拥有国外竞争对手所不具备的良好发展环境。

  ② 国产化需求紧迫，市场空间广阔

  目前，研发设计类工业软件国内市场竞争格局中，外资企业的占比较高，如工业软件巨头：安西斯、达索及西门子等。随着经济的不断发展和信息化的不断加深，国家对软件安全的需求日益增长，尤其是政府、军事、金融等重点领域，软件安全已经成为信息安全的重要组成部分，出于对先进制造和信息安全问题的考虑，国产研发设计类的逐步替代将成为工业软件行业的长期趋势。

  ③产业结构升级，研发设计类工业软件需求迫切，CAE 软件的作用和地位不断凸显

  4.3 行业面临的挑战

  ① 复合型专业技术人才相对缺乏

  公司所属行业属于知识、技术密集型行业，研发人员需要对流体力学理论、结构力学理论、电磁场理论、光学理论、声学理论、结构设计、系统控制、数学建模及软件编程等具备扎实的理论基础和丰富的工程经验，人才的培养需要一定时间和相应的环境。现有复合型高端人才数量难以满足行业内日益增长的人才需求，制约了行业的快速发展。

  ② 研发投入大且融资渠道相对单一

  为保持核心竞争力，企业需持续不断地进行研发投入来应对快速变化的市场。现阶段，该领域内的民营企业融资渠道普遍较为单一，难以通过大规模投入来进行研发和产业化升级，因此，研发投入大、融资渠道单一限制了该领域民营企业的进一步发展壮大。

  五、行研分析

  5.1 CAE行业发展

  从CAE的起源到应用发展，已经经历了约60年历史。在1990年代中期便形成了包含众多单元类型、材料模型及分析功能丰富的软件产品，并且经过了大量工程应用考核和专业机构认证，大型通用商业软件的发展达到顶峰，也正是在这个时期，国外CAE软件开始大举进入我国市场。到2000年代中期，CAE市场进入了疯狂并购阶段。根据《知识自动化》的统计，近二十年来仅ANSYS、MSC、达索、ESI和西门子这五家厂商就并购了100多家软件企业。而中国在此期间虽有一些本土的国产软件企业诞生，但是由于整体水平落后于西方国家，得不到用户使用的偏好，加上盗版软件横行，本土企业遭到了严重的市场挤出，最终大都胎死腹中。

  从行业技术发展的角度来看，虽然随着有限元理论与算法日臻成熟，但数值计算新方法新理论并没有新的有效突破，一些关键的CAE软件技术难点也没有太多进步，如ANSYS软件最后还是通过并购，才解决热力耦合问题的分析求解。在21世纪的兼并收购更多的是全部技术体系的整合与优化，真正落实到软件的分析能力与底层的计算机能力上，却并没有太多的新的成就。西方大厂的绝对领先优势仍是在对于各种行业各种专业领域和各种具体应用场景的数据积累与解决方案。或者说，由于应用场景和下游客户的相对固化，工业软件龙头企业的下游大客户群体需求相对稳定，并且其早已在多年前形成的一套技术理论体系，西方大厂对于底层理论和算法的变动，确实存在没有足够动力进行持续革新的研发支持。这点从ANSYS相对维持在16%-20%（属于软件行业的正常水平）的研发费用也可以得到印证，其年报披露的研发费用的变化主要系人员的薪资与激励，这显然只是和业务体量挂钩的人员变动。

  随着近几年国际形势变化与国家层面的高度重视与支持，行业逐步又出现了培养企业的良好土壤，也有很多在这么多年始终坚守在此行业研究的从业人员或学者开始将技术逐步转向产品和商业化。

  所以从中国的软件行业发展角度来看，用旧的，西方的一套理论体系模型，可能实际意义上存在相对较长的追赶周期，因为数据体量和经验模型存在质的差距。但是，倘若通过新的，自研的一套理论体系模型，并且在下游客户中不断打磨与不断迭代，实现弯道超车或许并不如我们所想的那样遥不可及。

  5.2 CAE行业竞争

  从全球市场占有率来看，市场的行业集中度是非常高的，基本由Ansys、达索和西门子垄断，新小企业只能面临被并购的结果。虽然目前我国CAE市场仍由国外厂商占主导地位，但是根据IDC数据，2021年Ansys、西门子、达索为前三厂商，市场份额分别为19.1%、16.5%、10.2%，远不足其在全球的市占率，Ansys年报披露其主营收仍在美日德三国，中国营收占比其实相对较少。在这样的环境下，随着政策支持与行业认可度提高，国产的CAE软件仍具备可期的成长机会和发展前景。

  从国内竞争角度来看，前文对于目前国内主要的CAE厂商也有较为详尽的列举。其中索辰科技为2023年科创板上市企业，其主要客户群体和优势领域在航天航空、船舶海洋与国防装备等军工领域，2022年其仿真学科营收占比如下：

  所列其余行业玩家例如：霍莱沃、英特仿真、安怀信等也是从此类军工领域进行用户切入的，CAE主要下游的汽车领域，目前市面上的各类玩家也只能依托于本身例如流体、电磁等优势仿真领域进行产品的规划与销售。从下游市场角度来看，国防军工领域的竞争烈度明显大于汽车和半导体领域的竞争烈度，因为在国防领域，国产CAE企业更能得到政府支持与保护，产品的落地和支付属性更好；而在偏民用的汽车和半导体领域，国产CAE企业将直面来自国外厂家的竞争，其对于产品的功能要求和适用型要求也极度上升。

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三泽创投

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