解析中国工业软件：国产CAE的机会在哪？

工业软件是制造业的基石，是一个支点行业，工业软件的种类众多，从大类上来看分为如下图所示的四大类。其中，嵌入式软件属于硬件设备的延伸不作为软件投资的重点，信息管理软件部分，国产厂商已经逐步成为主流玩家，而生产控制类软件相对较容易同质化导致竞争较为激烈并未作为我们目前关注的重点。如果仅从投资和国产替代的角度来看，研发设计类软件是其中最有技术壁垒和进入门槛，也是下一阶段最有机会的大类。

工业软件在每个细分领域的规模可能谈不上很大，以CAE软件为例，现阶段中国CAE软件市场规模不到50亿，但是往上可以支撑起数万企业的研发需求，并进一步支撑十万亿的工业产值。在这篇文章里，我们来重点聊聊工业软件中研发设计软件的一类细分软件——CAE的投资机会。

在这篇文章里，你将了解到：

CAE是什么？
国产CAE的发展现状
国产CAE的未来机会

CAE是什么？

在数字世界中反映物理世界

在虚拟世界中替代物理实验

CAE的全称是计算机辅助工程（Computer Aided Engineering），用虚拟的方式重建产品设计构思、起草、仿真和分析测试的整个工程过程，用计算机仿真模拟来替代真实的物理实验。使用CAE的优势主要是减少了成本高昂的原型设计和测试，同时提高设计过程的效率。

CAE在各类工业品研发中得到广泛的应用，每一个狭窄的工业品缝隙里都会诞生出不同的CAE软件。比如汽车在行驶过程中会因为震动而产生噪音，工程师需要通过分析发动机、进排气系统、传动系统等子系统的噪声问题来降低噪声，这时候可以用到Ansys maxwell这款软件来做分析。

图1：Ansys maxwell

在飞机研发过程中，需要进行风洞实验来测试飞机在不同飞行条件下的性能，风洞试验作为一种真实的物理流场测量方式，本身可供测量的气动力是非常多的。但是风洞试验成本高，一次典型风洞试验和模型加工的总成本高达500-1,000万元。

受益于CAE软件的发展，飞机研发所需的风洞试验次数大幅减少。波音787的风洞试验时间比1990年的波音777减少了30%、比1980年的波音767减少了 55%。波音可以通过CAE选出几个性能较好的设计方案，再放到风洞里进行试验验证，这也让最终试验的成本得到极大的降低。

图2：Ansys Fluent用于飞机研发

随着CAE的价值越来越多的被世界各国的制造企业所认可，CAE软件已经成为各个制造企业在研发设计环节中不可缺少的部分，并且市场需求的增速明显快于CAD软件，预计未来CAE的市场规模终将超越CAD。

国产CAE的发展现状：

起步晚、市场声量小

虽然CAE在现代制造业里发挥着重要作用，但是国内长期重硬轻软的固有思维，导致工业软件在过去很长一段时间内的发展得不到企业和政府的重视，工业软件的发展离不开大型制造企业和政府的支持，直到今天国产CAE在市场上还只是处于刚刚起步的阶段。国内头部玩家主要是美国Ansys, 德国西门子，法国达索，这三家在国内合计市场占有率超过40%。其中，美国Ansys在CAE领域是绝对王者，我们在行业调研中发现有非常多的高校、企业都在使用Ansys的标准化CAE产品。而国产CAE在整体市场占比仅约10%出头，而且绝大部分为软件定制化收入，而非产品收入。

过去20年里，中国企业在互联网领域打下众多江山。Amazon、ebay、Uber等企业败走中国，字节跳动TikTok在美国市场的月活用户占2/3人口。用友、金蝶等公司的也逐步在财务、ERP等软件领域站稳脚跟，和SAP、Oracle等分庭抗礼。中国是世界第一制造大国，为何中国企业难以拿下CAE这个细分赛道？我们认为国产CAE发展阻碍主要有以下几点：

技术差距
用户认知
盗版问题
定制化而非产品化发展

2.1技术差距

CAE一般分为三个模块：前处理器、求解器、后处理器。

前处理器：处理几何网格，设置业务数据以及求解器需要的数据(网格，属性，配置)。

求解器：对物理模型进行离散化和参数设定，然后通过数值算法求解方程组，最后生成分析结果。

后处理器：对求解器的计算结果进行加工，显示相应计算结果。

这三个模块里最重要的是求解器，求解器用程序编码的方式实现对物理规律、数学原理的客观还原。求解器研发包含了三类知识：

理论基础：比如各种数值理论、控制方程、数学公式等，经典的比如热传导方程，波动方程，赫姆霍兹方程等。需要开发团队熟悉数学、物理、行业知识。

工程应用：理论和算法需要在研发中解决实际工程问题，实际工程问题的特点是模型规模大且复杂，各种参数偏离标准模型假设，特征高度非线性，有各种不合理设计。

软件开发：基本的语言开发、需求分析、架构设计、流程管理、技术选型。

看到这里，你会发现，CAE求解器的底层知识是一个复杂的综合体，需要跨学科的综合能力，其中第一类知识的理论相对成熟，研发都有迹可循，但需要一定的技术积累，有相当的技术门槛。第三类知识有成熟的解决方案，但软件行业本身就在不断地快速变革。而更难的是第二类知识，理论计算分析实际上是有很多假设和前提的，和实际的模型并不是完全匹配。对于一些计算参数的选择，国外CAE是经历了详细测试以及用户迭代的，这些参数作为黑盒子封装在底层。

CAE需要大量的工程验证，写几万行代码开发出第一套软件并不难，关键在于是否可以经受住实际工程问题的考验。工业软件是工业先行，软件在后，工业软件的发展离不开制造业的反哺。最顶尖的工业软件发展都离不开经年累月的工程积累，背后都有顶尖头部制造企业的身影。

只有在产品线最丰富、最复杂的工业环境里提炼出来的算法才是符合客户需求的。而国外CAE较长的发展历史让其积累了领先的工程应用经验。

海外CAE发展历史：

美国CAE商业化起源于航空工业，1966年美国国家航空航天局（NASA）为了满足航空航天工业对结构分析的需求提出了Nastran计划（NASA Structural Analysis Program）。

Nastran计划由CSC公司牵头，MSC公司参与了研发。1969年NASA推出了Nastran第一个版本COSMIC Nastran, MSC, UAI, CSAR三家公司都拿到了授权并在此基础上继续开发。

MSC在1971年推出了自己的商业化产品MSC Nastran, 软件很快获得了市场认可，也由此开启了CAE这个全新的赛道。MSC在1982年上市，1999年收购了UAI和CSAR，成为唯一拥有Nastran商业代码的公司。2017年，MSC被知名制造业企业海克斯康收购。

如今CAE巨头Ansys在发展初期也离不开制造业的支撑。Ansys成立于1970年，创始人John Swanson在创业前任职于西屋电气的太空核子实验室，当时他的工作之一是为核子反应火箭作应力分析。

Ansys成立早期的订单都是来自西屋电气，西屋电气的核工业装备业务为Ansys软件的迭代升级提供了最佳的试验样本和广泛的应用场景。

另一款知名CAE软件Abaqus(被达索收购)的V1版本也是专门服务于制造业客户-西屋电气，当时西屋电气用Abaqus来分析核燃料组件。Abaqus早期的另外一个重要客户则是埃克森美孚。

现阶段海外已经出现了大量CAE领域的巨头和上市公司，除了西门子这样的综合性工业软件巨头外，Ansys、达索、海克斯康、Altair、PTC等均在资本市场取得了非常好的表现（估值普遍在10-15倍PS左右，PE倍数则更夸张）。

近期EDA巨头新思科技刚刚宣布350亿美金收购Ansys的计划，所谓EDA是指CAD、CAE和CAM等一系列软件在半导体这个特殊领域的应用，新思科技在底层技术、客户等多个层面受益于对Ansys的收购。

在中国，CAE的发展最早是从学术界开始。在20世纪60年代中期就开始有学者在研究CAE算法，20世纪70年代，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，北京农业大学的李明瑞教授研发了FEM软件，中国飞机强度所研制了航空结构分析软件HAJIF。

但是高校研发的CAE不是为了商业化目的，本身缺乏商业客户的实际反馈和迭代。更重要的是从20世纪70年代到90年代，中国高端制造业尚未发展起来。在相当长一段时间内，制造业更偏向生产环节，而非工艺研发和产品研发，这也导致了本土CAE缺少高端制造业的工程反馈。

美国在20世纪20年代已成为工业强国，工业高速发展。1961年开始了阿波罗计划，1964年洛克希德马丁研发出了黑鸟侦察机这样的黑科技，1968年波音研发出了日后广受欢迎的波音737。可以说一个国家的工业水平决定了CAE的水平。

CAE涉及结构仿真、流体仿真、电磁仿真、噪声仿真以及各类专业仿真等不同领域，其中，结构仿真的占比最大，其次为流体。即使头部厂商也很难拥有全物理场的通用仿真产品。前面提到知名CAE软件在日后通过资本的力量进行了众多并购，把各个学科的拼图逐渐补全，建立了完整的产品矩阵。

2.2用户认知

在20世纪90年代中后期，随着国内工业持续快速发展带来了仿真需求的加大以及对外开放，国际主流仿真软件厂商相继进入中国市场，本土仿真软件厂商遭到巨大冲击。这些国外CAE占领了中国高校、各类企业的研究所，在CAE这个领域重复了其他专业软件的发展路径（CAD、DCC、3D引擎等）。

国外CAE的技术优势让他们首先占领了中国高校和工业用户。对于工程师来说，他们在学校里学习的就是Ansys软件，工作后企业的招聘标准也是需要懂Ansys软件。国外CAE由此从技术到用户认知建立了一道坚固的堡垒。在很多行业里，使用国外CAE已经成为行业标准，如果用国产CAE计算结果出错了谁来担责？

2.3盗版问题

前面提到CAE求解器研发门槛高，需要较多投入，如果没有持续的资金支持，企业难以支撑研发。过去中国企业和个人为软件付费的意识不高，在高校、国企里采购硬件比采购软件流程更简单。现在高校、国企里还有大量的盗版CAE存在。

对于客户来说，如果能免费获得行业认可的CAE，为什么还要花钱买功能稍弱的产品呢？而国外CAE软件公司也对盗版睁一只眼闭一只眼，前期用盗版占据市场，等后期企业使用的CAE多了再开始收费收割。我们在调研行业客户的过程中，了解到一家上海的大型电气设备制造企业从21年开始被Ansys维权，已经被Ansys收取了3000多万的版权费，且还在持续，连上市公司都直呼吃不消，非常希望能找到便宜的国产替代，却发现市场上的可选公司非常有限，短期内仍然只能继续给Ansys支付高额版权费用。随着海外工业软件巨头对国内制造企业的版权维权不断加码，未来想要依靠盗版让国内的工业企业持续升级显然不切实际。

2.4定制化而非产品化发展

对于软件公司而言，产品化发展是一条难而正确的道路，只有产品化为主导才能让软件公司能持续将获取的高毛利投入到研发之中，并从中长期不断提升产品的壁垒和核心竞争力，形成正向循环。而定制化虽然在早期做大规模和拿取订单上有一定的优势，但是中国持续存在的定制化按数人头记收入、低毛利率和最严重的应收账款难题，让这类公司从中长期来看很难有持续竞争力。

国外CAE公司多以标准化产品为主导，毛利率普遍可以做到80%-90%之间，而国内公司尤其是一些拿到大额融资的CAE创业公司为了快速做出规模，以符合估值预期，只能往定制化的狭窄道路上越走越远。这也从国内某CAE上市公司仅38%的毛利率，3个亿出头的收入却有5个多亿的应收账款可以看出，这类定制化开发而非产品化的软件公司空间和利润从长期来看将非常有限。

国产CAE的未来机会

虽然中国CAE发展艰难，但我们认为未来还有巨大的发展空间。

机会一：国产化替代

2022年8月美国商务部发布禁令，对中国断供设计GAAFET（全栅极场效应晶体管）结构芯片必需的EDA软件。虽然该禁令只涉及3nm及以下技术节点，但这也让国内很多人更清醒地认识到自主研发核心工业软件的重要性。

CAE是高端工业品研发不可缺少的软件，万一哪天CAE的使用被限制，下至民用汽车，上至航天航空的研发都会受到影响，大力发展国产CAE软件的重要性不言而喻。从我们调研的结果来看，国企、高校行动上已经非常明确，虽然内部无明确文件要求国产化。很多国企内部已经开展了国产化项目逐步替代，我们认为这是国产CAE发展需要抓住的巨大良机。

机会二：未来巨大的市场增量

中国高端制造业发展迅速，2023年高端制造业出口值达到10.65万亿元，占全年出口交货值比例72.84%。自2020年以来，高端制造业出海贡献度连续4年保持在70%以上。

随着高端制造业企业的不断增加以及企业越来越认可CAE的价值，我们预判未来CAE市场空间巨大，这块蛋糕不可能全被国外CAE厂商拿下。从国际市场来看，任何一款小众CAE都能有客户，只要软件有一些特色，总会有客户买单，总能有生存空间。

中国制造正在向微笑曲线两端发力是长期趋势，研发设计类软件的持续投入是必经之路，根据工信部调研，中国制造企业目前CAD产品的渗透率预计约在60%左右，而CAE产品的渗透率大幅低于CAD，未来增量的市场空间依然巨大。

机会三：更具性价比的产品

CAE产品的研发极具技术壁垒，目前阶段国内的CAE厂商基本都是走军工和国央企定制化的路线，拥有自己求解器的产品型CAE公司凤毛麟角，但是一旦突破，将形成巨大的产品优势，后来者想补足核心求解器和标准化产品的周期很长，且难度极大。

国外CAE部分高端模块已经对中国禁运，而一套基础CAE软件花费动辄上百万，每年更是需要花费数十万来升级和维护。对于市场化客户来说，我们发现国外CAE产品百万级的高昂售价让很多中小型制造企业望而却步，如果有相对便宜的国产厂商的同类产品，我们调研的很多制造企业都有意愿进行尝试，我相信本土绝大部分的制造企业都有一个脱离低端制造的产业升级梦想。

就像CAD领域一样，国内出现了类似中望、浩辰这样的上市公司，已经在CAD领域逐步站稳脚跟，虽然3DCAD仍待进一步大幅突破，但这已经证明国产设计研发软件行业拥有市场和资本两个层面的大量机遇，我们相信国产CAE同样可以逐步缩小和国外CAE的技术差距，并提供更好的性价比和服务，逐步占领国内市场，甚至通过极致的性价比在未来的某一天走入海外市场。

参考资料

大型飞机气动设计中的CFD技术
大型商用飞机风洞试验需求及技术展望
一篇文章入门“求解器”开发
工业软件简史
天路漫漫：仿真自主征途