平民化仿真，工業軟件突破連

力計算的三個階段

計算機輔助工程CAE的理論基礎起源于20世紀40年代的有限元分析方法1960—1970年，CAE軟件還處于探索期，分析對象主要是航空航天，核電等大型設備的強度和剛度目前，CAE只能在Unix工作站上運行這是一個計算能力差的時代為了節省資源，連顯示器和內存也往往是兩機巨大的計算機硬件僅僅因為它的尺寸就令人望而生畏，而且一臺計算機填滿一個房間是很常見的軟件只是電腦硬件的附屬品

圍繞大型機誕生的最早一代仿真軟件有NASA的Nastran，西屋核電的ANSYS，麻省理工的ADINA和布朗大學的Abaqus工作站作為一種昂貴的稀缺資源，也是計算能力集中的體現人們只能去指定的機房，排隊等待計算好的時間熟悉方程的科學家可以通過命令行的組合來完成特定場景下的仿真分析既然軟件使用門檻這么高，脖子被捏在硬件廠商手里，其開發動力自然大打折扣軟件就像一個秘密寶藏只有少數擁有特殊技能的科學家和非凡的工程師才能通過未知的洞和隧道接近它

從1981年IBM推出第一臺真正的PC開始，桌面PC的浪潮就來了兼容機已經普及，計算能力也得到了提高軟件也開始普及，使用門檻大大降低在此期間，許多與主機緊密捆綁的軟件被逐一淘汰，而獨立軟件不斷涌現Windows95操作系統的圖形界面掃除了一切可能的障礙在這個過程中，無論是CAD軟件還是CAE軟件的廠商，都在爭先恐后地改變姿態，擁抱個人電腦時代設計軟件AutoCAD從Unix系統成功轉型，而Solidworks則直接成為Windows的原生軟件Ansys仿真軟件，誕生14年后，于1984年開始推出適配Intel 286的計算機界面更友好，功能更易用這種鳳凰變朱雀飛入尋常百姓家的最好例子就是非線性模擬軟件大金剛的ADINA它早在1975年就誕生于麻省理工學院，但直到1988年才得以商業化，供更多工程師使用一匹桀驁兇猛的馬，終于有更多的人可以騎了目前世界排名第三的奧泰爾，就是在這個時候伴伴隨著PC的普及而誕生的雖然世界第一的Ansys成立于1970年，但直到1996年才被風險投資公司在納斯達克上市工業軟件，仿佛從宙斯的奧林匹克仙山，降落在民間大廳使用門檻降低了，資本市場開始對它有了新的認識一旦其龐大的用戶群潛力得到確認，資本的擁抱自然會超過熱情

我們很容易注意到，當一項技術引起時代劇變時，市場結構開始洗牌洗牌既有死亡，也有重生有些企業會倒下，新面孔也可喜可賀就像今天的電動汽車一樣，人們會驚訝地發現，即使三大強大的BBA汽車或三大日系車都在顫抖，新一代王者如特斯拉，中國韋小立等造車新勢力已經像孩子一樣從老人身邊呼嘯而過，歡欣鼓舞地向前奔跑，迎接東方的曙光

同樣的曙光照耀在仿真軟件的賽道上從2010年開始，以超級計算中心和云計算為代表的廉價超級計算能力時代已經到來權力變成了文明的軍備競賽，美國，日本，中國都在這里競爭這些超算中心的超算能力要解決的問題是通過模擬問題和模擬軟件計算核爆炸，天氣預報等無限放大，多參數的復雜事件

與Windows時代的計算能力不同，云計算和超級計算中心似乎又回到了工作站時代的中心化只是這次增加了一個分布式桌面從表現形式上看，第一代計算能力:集中式工作站，第二代計算能力是分布式桌面應用，第三代計算能力，就軟件應用而言，回歸了集中式計算能力，但同時增加了分布式桌面甚至移動應用，最常見的形式就是app小程序

通過努力普及，門檻進一步降低模擬軟件呢不出意外，一個全新的春天就要來了

加擾仿真軟件

上世紀八九十年代，PC的崛起對現有軟件進行了大洗牌在這個過程中，很多一流的設計CAD軟件廠商被洗劫一空，很多消失了——這些品牌的沒落是因為他們的技術過時，在工作站向PC轉型的過程中未能被技術離心力甩出軌道他們死于兩次風暴之間但是很多CAE廠商頑強的活了下來他們的一些品牌后來在市場上消失了，原因和CAD廠商不一樣他們并沒有在第一代計算能力到第二代計算能力的過程中掉隊，而是在最近二十年由于商業模式的改變而消失了:更大的魚吃了他們

新時代不能兼容他們是因為商業原因而不是技術原因，但畢竟擠進了新時代從某種意義上說，CAE廠商的堅韌是因為CAE的專業性更強它的使用門檻還是太高一般仿真軟件都是單一的物理場，只計算結構力學或者電磁學要做出復雜的模擬結果，需要計算各種物理場仿真工程師需要熟悉這些不同的物理場和不同的軟件界面

對于一個企業來說，產品設計師和仿真工程師往往是兩個人而且仿真工程師遠遠少于設計師設計師往往只需要一種軟件就能完成所有任務，但是仿真工程師需要在計算結構力學，計算熱力學，計算電磁學等不同的仿真軟件之間來回切換就像液壓站轉閥門的操作工，他面前有十幾個閥門，轉的方式不一樣由于每個閥門需要不同的方言密碼，著急自然是最常見的事情

但是，仿真工程師的難度不在于忙著開各種奇怪的閥門，懂得各種軟件的語言，更重要的是對自己的行業有足夠的了解他需要將工程任務中的行業知識與建模語言聯系起來這需要相當的技巧

模擬軟件，再一次顯示了它的知識封鎖高冷軟件極端來說，它只是一個先進的科學計算器，與行業無關這也說明了工業軟件盈利的最高級模式，即只做通用計算平臺和建模語言，封裝數學模型，至于行業面臨的各種瑣碎場景，需要仿真工程師自己去完成

這個門檻自然很高。

于是就會有一群全新的陌生人，試圖改變模擬軟件難的特性。

巨人足跡之間的差距

可以說，如果往單學科CAE方向突破，道路基本已經被壟斷寡頭堵死了大型仿真軟件通過深挖技術戰壕，融合眾多不同的物理領域，早已形成平臺化解決方案

于是，后來者采取了另一種思維方式，避免單一學科挑戰巨頭，而是從工程應用的角度出發，從而在看似牢不可破的鐵門上打開了一個缺口。

來自瑞典斯德哥爾摩的COMSOL仿真軟件，對仿真模塊在工程中的應用進行了嘗試從本質上講，有限元分析和工程仿真的本質是計算數學方程COMSOL源于MATLAB的工具箱COMSOL專注于工程模塊，而不是學科公司成立于1986年，之后發布了FEMLAB，這是它的第一個工程應用模塊:結構力學看到這個名字就知道，簡直就是MatLab的寄生蟲當然，因為訴訟糾紛，COMSOL后來重寫了代碼，切斷了和Matlab的聯系兩年后電磁學的模塊發布了，然后化學和傳熱學的模塊也發布了2005年，產品名稱改為Comsol Multiphysics——可以說這個名稱直到成立10年后才真正形成Multiphysics的概念隨后，增加了各種工程模塊如果記錄這個不斷增長的清單，似乎就是一個枯燥的日常賬戶但這些工程應用模塊被視為移動的旗幟，旗幟背后象征著上升的市場，如其在2020年開發的燃料電池和電解池板，迎合了冉冉上升的氫燃料產業以多物理場平臺為根基基礎，COMSOL的上部就像一個成長中的插頭，不斷插入新的行業市場追逐熱門行業，像向日葵一樣，向不同的方向伸展

COMSOL的成功歸功于三個因素第一，基礎平臺根植于數學物理理論從最低的理論出發，自然表現出出眾的解方程能力，其PDE模塊非常強大其次，COMSOL為工程問題提供易于使用的軟件解決方案產品庫中的所有產品模塊都是標準化接口無論是電子，機械，化工等工程領域，還是傳熱，流體等具體物理現象，都使用相同的軟件界面，操作過程都是一樣的這為那些收購了大量軟件的大型CAE公司提供了另一種選擇大型CAE公司不得不開放數據，改變收購軟件的接口長期以來，用戶不得不反復切換閥門更重要的是，COMSOL專注于工程模塊，其中封裝了大量的行業知識，包括電化學，等離子等幾十個應用模塊——很多模塊往往是經典CAE軟件作為通用軟件平臺難以具備的功能模塊這些具有行業屬性的工程模塊讓工程師們松了一口氣他們的模擬任務有行業屬性護欄，是比較好用的工具它為該行業定制了專用工具

模擬軟件的新突破需要仔細研究龍足跡留下的空白。

第三波來了。

模擬軟件的應用正在簡化第一波模擬軟件具有很強的特異性和低級特征往往是針對單一學科的通用仿真軟件，如流體，電磁，熱，結構等，它們彼此分離用戶需要單獨購買不同學科的軟件第二波軟件更側重于行業COMSOL的工程應用模塊就是其中的典型代表，在底層構建了多個物理領域，并與行業相結合，讓應用工程師可以輕松面對自己的行業進行仿真開發

但這并不是結束更多簡化的CAE軟件不斷出現他們更專注于一個行業，專攻一個行業的仿真最典型的是MotorCAD，成立于1998年它只針對高級電機的開發，提供四個關鍵功能模塊，即電磁，熱，機械和電機效率和性能優化

啊，很好用可以實現全轉矩轉速范圍的多物理仿真設計所以它在電機行業占據主導地位也就不足為奇了，世界各大電機廠商和科研機構都在使用它但是，如果使用經典的仿真軟件，由于其過分注重通用性，大量的功能實際上是不必要的MotorCAD的所有模塊都可以吸干擠出來，是為電機而生的

現在針對行業的專業化軟件已經被證明是可行的，那么下一步更小的粒度在哪里，更低的門檻在哪里也就是面向設備，甚至是面向設備的零件比如某一類電機只能是無刷電機或者DC電機，也就是說直接為個性化設備開發一個更小的App如果說COMSOL代表了基于多個物理領域的功能模塊的崛起，那么MotorCAD則是在功能模塊的基礎上直接面向垂直行業在此基礎上，針對特定設備構建更加個性化的場景應用app也就順理成章了

CAE軟件的第三次浪潮正呈現出新的輪廓。

模擬圖形普及的演變。

COMSOL已經聞到了這種味道，它正在讓自己的軟件更加App碎片化2014年，它發布的版本中包含了App Developer，并發布了支持App分發的服務器，讓各地不同的用戶都可以在其服務器上運行這些專業的應用最讓工程師高興的是，app developer中包含了完全圖形化的編程功能，用戶可以自由創建app到了2018年，COMSOL終于為自己定下了互聯網時代的基調，發布了編譯器用戶可以將在父平臺上開發的程序轉換成獨立運行的仿真App運行時，不需要安裝COMSOL軟件事情變得越來越簡單

COMSOL的業務邏輯面向專業化細分市場，包括30多個工程應用的功能模塊，而不是通用軟件，在中國市場乘風破浪在此基礎上，用戶建立了1000多個App案例在ANSYS，Altair，MSC的陰影下，COMSOL找到了自己的地盤

同樣，在國內，北京云道智造也是避開經典CAE的通用軟件路線而是在自己的底層多物理場仿真平臺上構建廣泛的工程應用模塊和app應用，為正在崛起的中國制造提供了更低的門檻

以第一代ANSYS和Nastran為代表的軟件，如果用高度來比較使用難度，就像上海中心大廈最高的127層所以從這里開始，COMSOL的工程應用模塊離地面只有20層現在COMSOL和云道的App應用會讓它位于10樓離大氣層越來越近，人們可以抬頭看到

伴隨著超級計算和云計算的普及，更便捷的方式正在出現如果開發平臺也可以為行業用戶開發，用戶可以開發自己的app，那么這些應用就會出現在一樓，觸手可及陶是采用更激進的云化方式，下沉到這個位置，開放多個物理領域的仿真平臺，由第三方聯合開發或開發工程模塊和app云基于通用底層平臺開發了電子散熱仿真軟件Simetherm，已部分替代主流商業軟件Flotherm和ICEPAK上海一家專門做航空復合材料輕量化的專業咨詢公司，直接叫這個底層平臺，開發行業模塊，面向國內飛機廠曾經分布在不同人手里的知識，正在像餃子一樣蔓延，各種芝麻餡，五仁餡散落混雜在一起更加大眾化的模擬從未如此貼近大眾

注:一代算力，一代仿真。

從全球范圍來看，軟件市場就像一個成熟的成年人，進入了一個高度穩定的結構這種穩定性是由寡頭壟斷決定的，寡頭壟斷幾乎可以閉著眼睛點餐，通過并購吞并各種創新型初創企業可是，在中國市場就不一樣了，中國市場似乎剛剛開始顯示自己是青少年伸展肌肉的地方如何選擇CAE軟件的突破方向是一個戰略考慮基于SaaS的軟件即服務是其中一種方式中國的上海殳俏，北京衛蘭和德國的SimScale都采用這一路線同陣營的SaaS仿真軟件OnScale成立僅五年，今年被ANSYS收購，意味著這種基于云的方向已經得到了老牌仿真廠商的認可除了走SaaS路線，云道還進一步引入了工程應用模塊與App的聯動，采用平臺即服務的PaaS，與行業應用緊密結合它大大降低了用戶的門檻，使模擬人成為可能瑞典的COMSOL已經證明了它的可行性現在國內很多新行業，比如鋰電池，碳化硅，都提出了新的場景需求，國外的仿真軟件也沒有成熟的工程模塊如果能進一步降低應用門檻，國產CAE軟件就能大顯身手了

2015年，在國際工程建模，分析與仿真社區協會NAFEMS的研討會上，業內專家提出了仿真大眾化，民主化的話題，成為國際上倡導包容性仿真的先行者超級計算機/云計算和專業化仿真app的廣泛應用，將引發仿真技術的普及革命

在第三波計算能力的幫助下，第三代仿真軟件也可能會躍升這次是計算力普及，模擬通用