原创
2016-08-02
中国信通院
中国信息通信研究院CAICT
工业仿真技术作为工业生产制造中必不可少的首要环节，已经被世界上众多企业广泛地应用到工业各个领域中。随着智能制造、工业4.0和工业互联网等新一轮工业革命的兴起，新技术与传统制造的结合催生了大量新型应用，工业仿真软件也开始结合大数据、虚拟现实、大规模数值模拟等先进技术，在研发设计、生产制造、服务管理和维护反馈等工业各环节中凸显出更重要的作用。我国工业软件厂商需把握新技术新市场带来的机遇，弥补软件技术短板，找准定位，实现产业的升级与壮大。工业仿真是对实体工业的一种虚拟，将实体工业中的各个模块转化成数据整合到一个虚拟的体系中，在这个体系中模拟实现工业作业中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互。工业仿真软件承担着对生产制造过程中的建模分析、虚拟现实交互、参数效果评估等重要作用，单纯的建模软件可视为CAD（计算机辅助设计）软件，而当前仿真和分析常常会结合在一起，通常提到仿真软件，主要是指CAE（计算机辅助工程）软件。随着3D、虚拟现实、大数据、云计算、人工智能等新技术逐渐进入工业仿真领域，工业软件对工业元素描述更精确、更细致，仿真模型得到持续动态优化，软件与工业实际应用结合更紧密，虚拟仿真软件成为了工业软件未来发展重点。工业仿真软件呈现以下发展趋势：工业仿真软件技术与性能不断演进提升。基于计算机群的并行计算、网格计算，基于云和互联网的集成化协同使仿真软件的计算能力不断提升，如美国ANSYS公司推出 Workbench仿真平台包含高性能计算（HPC）功能和并行可扩展性，提升复杂仿真求解能力。另一方面，工程数据库系统得到不断丰富与完善，更多部件模型、行业材料、设计方案和标准规范信息纳入仿真软件数据库，ANSYS 在其EKM产品平台中提供多物理场仿真数据管理，开放的数据交换功能可集成试验、第三方和其他物理场的工程数据。同时，计算机图形处理能力、三维图形算法和图形运算发展均有增强，虚拟现实等新技术应用促进实现了真三维和虚拟仿真，沉浸式交互系统使工业仿真更加立体，图形表现更加真实。多体多态多物理场复杂耦合仿真迅速发展。得益于计算处理、数据支持、图形化等基础支撑技术的持续提升，面向多相多态介质、多物理场、多尺度等复杂耦合仿真的新型工业软件日渐丰富，其实现形式主要有两种：一是通过开放的数据接口标准进行多仿真系统耦合的联合仿真，如法国达索系统公司推出Dymola平台软件，可基于FMI/FMU接口联合AMESim、PROOSIS、Simulink等十几种不同建模工具和机电分系统进行仿真，实现多领域模型联合求解仿真；二是通过增加仿真模块，融合先进仿真技术，单系统实现多领域仿真。如瑞典多物理场仿真软件公司COMSOL不断整合结构、热、流体、电磁等多领域世界领先公司和高校最先进求解器技术，推出多物理场复杂耦合仿真软件，具备超过 30 个专业领域附加模块，在Desktop?集成环境中提供专用物理接口和工具，并拥有世界先进的复合材料求解算法和工程库。全球工业仿真软件产业格局相对固定，以ANSYS、MSC Software、达索系统、Altair、西门子PLM等为代表的国际CAE/CAD软件巨头在技术、产品、市场等多方面均以较大优势领跑。随着工业仿真应用日趋广泛和复杂，并向多学科多物理场景的智能仿真发展，国际工业仿真软件厂商也开始通过收并购、研发合作等方式，推出新的产品，以期继续引领产业甚至新一轮工业革命的发展。并购整合，从单一领域向综合领域进军。ANSYS近几年收并购动作频频，通过纳入多种类型仿真软件公司的领域和能力，扩展了自身工业仿真软件的使用范围和客户群体。例如其并购ANSOFT和Apache公司，补充强化了电子电磁仿真领域直流、交流电路设计、无线蓝牙设计、电磁炉和微波炉的电磁场计算；通过收购软件开发商Fluent，其加强了流体仿真分析软件（CFD）功能，提高了模拟流体流动、传热、化学反应等问题的准确度；收购Gear Design Solutions公司，借助其半导体和电子系统的专用大数据平台，增强设计验证的预测精确度。广结盟友，实现仿真软件工业功能扩展。部分厂商通过开发平台，聚集并对接了大量产业链伙伴，利用行业资源针对特定工业需求进行仿真软件的二次开发，实现了工业仿真功能的扩展。例如欧特克（Autodesk）公司推出工业制造仿真平台fusion 360，支持3D打印实用工具，并集成了来自多个合作伙伴的服务和应用，包括BriteHub的服务、CADENAS的parts4cad应用等，通过不断扩充优化工业模型与行业资源库，使其仿真软件应用范围从单一产品仿真扩展到工艺与生产线装配仿真等领域。三、国内工业仿真软件产业稳步发展，两大难题有待破解据IDC统计，2015年CAE软件在制造业各领域的应用日益广泛，全球保持8%左右的增速，制造企业在产品生命周期各阶段对仿真软件的应用逐渐增多。国内市场上，2015年仿真分析类软件继续保持较高增速，实现了近15%的增长，明显高于其它工具类软件的增幅。从细分领域来看，航空航天及军工行业是CAE应用的主要行业，约占42%的市场份额；其次为汽车及交通运输行业，占据20%的市场份额；电子高科技和工业装备行业分别占14%和13%市场份额。从应用趋势来看，工业仿真技术主要应用于大中型离散制造业，尤其是航空航天和国防、汽车、装备制造及电子高科技等行业企业，同时，能源、钢铁、石化等行业的大型企业均开始涉足CAE等仿真软件产品应用。虽然我国工业仿真软件市场发展良好，但仍面临产品技术和产业应用两大方面的困难和不足。一是产品技术方面，国内工业仿真与设计软件核心算法产业化能力不强，国外厂商掌握CAE有限元算法和CAD核心几何内核算法并对其进行产业化推广，应用最多的是Parasolid和ACIS内核，国内企业只能通过授权经营方式使用国外几何内核，基本不具有自主知识产权的CAE企业，多数厂商基于国外产品二次开发和定制化的基础上推出产品。二是仿真技术产品的应用两极分化明显，广大中小型企业在仿真技术应用水平上与大型企业有很大差距，工业仿真软件应用与工业产品设计研发部门脱节，只能将仿真技术作为验证手段，缺乏仿真流程规范、材料数据库，仿真技术应用的专业人才缺口较大。我国工业仿真软件市场潜力巨大，中国制造2025等一系列行动计划将促使对国内对工程软件产品的需求进一步扩大，虽然国内当前面临技术、市场、应用等多方面问题，新一轮工业革命仍然是我国工业仿真软件产业发展不可多得的机遇，需夯实基础，补齐短板，尽快实现新一代设计仿真技术在工业中的广泛应用。一是需要加强顶层设计和系统研究，完善工业仿真软件产业与政策环境。重点针对沉浸式仿真、三维图景可视化、衍生式设计等关键技术能力和产业薄弱环节，出台相应扶持政策与保障措施，加快推动国内工业仿真软件体系化发展和产业化应用。二是突破虚拟现实、大数据分析等高端核心技术，把握新兴增长点，加强新型工业仿真软件的研发和推广。支持开发通用的三维产品设计平台、数字化工厂仿真平台等新型工业仿真平台，促进行业需求与软件技术结合，全面推动产业链升级，加紧抢占市场优势。三是加强行业需求结合，通过试点示范推动传统工业仿真软件重点应用升级。促进软件仿真技术与工业技术深度融合，通过联盟、论坛、会议等形式打造工业领域与仿真软件领域的技术交流与需求对接平台，选择信息化基础较好的工业企业开展工业软件的试点示范与创新实践，持续提升工业仿真软件应用水平。 电信科学技术研究院硕士，现就职于中国信息通信研究院两化融合研究所。拥有多年行业趋势、战略与业务规划等领域研究经验，主要研究方向包括工业互联网、工业大数据、智能制造产业等。联系方式：jiangxinhao@caict.ac.cn