CAD技术作为杰出的工程技术成就，已广泛地应用于工程设计的各个领域。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。目前CAD技术研究热点有计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息存储、管理及检索、设计法研究及其相关问题、支持创新设计等。 可以预见技术将有新的飞跃，同时还会引起一场设计变革 。
Autocad
CAD技术一直处于不断发展与探索之中。 应用 CAD技术起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计标准化等作用。 越来越多的人认识到 CAD是一种巨大的生产力。 CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。 随着人工智能、多媒体、虚拟现实、信息等技术的进一步发展， CAD技术必然朝着集成化、智能化、协同化的方向发展。企业 CAD和CIMS技术必须走一条以电子商务为目标、循序渐进的道路。 从企业内部出发，实现集成化、智能化和网络化的管理，用电子商务跨越企业的边界，实现真正意义上的面向客户、企业内部和供应商之间的敏捷供应链。
CAE(Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。
CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。针对这种情况，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，我们称这一过程为CAE的后处理。
计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统。
发展历史
国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品 。
1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户（100家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等 。
衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进中国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。中国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例，世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，中国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额 。
20世纪60-70年代，有限元技术主要针对结构分析进行发展，以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世界上CAE的三大公司先后成立，致力于大型商用CAE软件的研究与开发 。
1963年MSC公司成立，开发称之为SADSAM （Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）结构分析软件。1965年MSC参与美国国家航空及宇航局（NASA）发起的计算结构分析方法研究，其程序SADSAM更名为MSC/ Nastran 。
1967年Structral Dynamics Research Corporation（SDRC）公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS） 。
1970年Swanson Analysis System，Inc.（SASI）公司成立，后来重组后改为称ANSYS公司，开发了ANSYS软件 。
20世纪70-80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的CSAR公司；致力于结构、流体及流固耦合分析的ADIND公司等等。
在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、电磁场、声波场等）的分析，从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软件结构和技术来说，这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件，其数据管理技术尚存在一定的缺陷，运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站 。
进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行 。
对于中国工业来说，工业软件岂止是短板，已经是“断”板，是“断”命之板。一边是差距增大，一边是国际顶级CAE公司一年研发=我国15年的全部投入。当许多人都在沉迷工业互联网、人工智能、大数据来推动制造业转型升级的时候，没有人意识到这些概念如果脱光了一层一层衣服，最内核的就是工业软件。发展自主的高端CAD、CAE软件，已经成为人们心中认定的不可能之事。
放冷箭却受到国家资助
2018年 7月底，数百名电子工程师在旧金山狂欢。美国国防部主导的“电子复兴计划ERI”的首次峰会，在这里拉开帷幕，并为“电子复兴五年计划”，选出了第一批入围扶持项目。
在这里，最为扎眼的是一家电子设计软件EDA的公司，一方面它获得了最高的资助，另一方面它是该类别扶持项目中唯一公司。
入选机构
正是这个CADENCE，在4月份率先响应美国商务部号召，对中兴抢先表态、发出冷箭。
Cadence
而这次，这家美国电子设计软件巨头，再次获得国防部2400万美元拨款。
而此刻中兴恢复生产了，芯片解禁了。实际上，很少有人知道，尽管中兴每年进口六七十亿美元的芯片，但如果采购名单上不过数百万的电子设计软件被停用，那上百亿的芯片都不过是硅土。
这就是工业软件的厉害之处。这才是中国制造业最大的短板。
当智能制造和工业4.0的目标越来越聚焦在数字化设计、数字化工厂和数字运营服务的时候，“数字建模和仿真”再次成为一切数字化工业背后最为闪耀的明星。最为重要的研发设计领域的两个软件工具，CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助仿真），成为中国信息化最熟悉、然而现在看上去却是最为瘸腿的领域。
此一刻，我们发现，中国在数字建模与仿真领域的建树，跟国外工业软件相比，简直不值得一提。
中国的工业设计软件，曾经走过什么样的历史？
一段艰难起步的小日子
二十世纪八十年代初，中国人对工业软件的认识几乎是零。伴随着昂贵的IBM大型机、VAX小型机、Apolo工作站的引入，上面附带的某些CG、CAD软件，这样工业软件算是崭露头角。
Pro/E
最早能引进这些昂贵的计算机硬件的有实力的研究所或高校，也就由此开始了模仿和开发工业软件的征程。当然早期开发的软件，大多数是二维CAD绘图软件，能开发三维造型软件的单位比大熊猫的数量要少两个数量级。
曾经有过一段还算不错的小日子。从“七五”到“十五”（1986-2005），国家对于国产自主工业软件一直是有扶持的，当时主要的扶持渠道是国家机械部（机电部）的“CAD攻关项目”、国家科委（科技部）的“863/CIMS、制造业信息化工程”。
国家机械部、国家科委早期重点支持的是二维CAD，后来发展到简单实用的“两甩”，即甩图板、甩账本。对于技术难度不算太高的二维CAD的扶持，还是取得了一些成效的，出现了高华CAD、CAXA电子图版、开目CAD、浙大大天CAD、山大华天等一批软件产品。即使在开发难度比较大的三维CAD领域，也出现了北航的熊猫CAD系统（后来的金银花）等。
此后国家机械部逐渐淡出对CAD的支持，而由国家科技部接手，彼时863项目声名大噪，国产CAX软件公司也跟着颇有斩获。一个二维CAD软件小阳春的局面呼之欲出。
而在CAE领域，也出现了一个百花齐放的大好开局。上世纪80年代后期。以北航、清华为代表的一批高校和科研人员开始做相关的软件开发。这些人中，以唐荣锡老师、孙家广老师、梁友栋老师、周儒荣老师为代表，成为国内第一代从事CAD软件开发的标志人物。随着CAD/CAE软件在制造业的推广普及，清华大学、浙江大学、华中科技、大连理工等一批高校和中科院、航空航天等一批院所先后开展CAD/CAE软件自主研发，取得了一些研究成果，包括中科院的飞箭、郑州机械所的紫瑞、大连理工的JIFEX、中航的APOLANS、HAJIF等商业化和大企业自用软件。
一时间也是热闹。
一次悄无声息的CAD调包
从“十五”和“十一五”开始，科技部对研发设计软件的重点支持，转到了三维CAD。而在“十二五”（2011年）以后，中国的信息化开始走两化融合的道路，该工作转由工信部负责，863合并到国家重点科技研发计划中，科技部也不再分管信息化工作。这是一个重要的分水岭。由于工信部并不对认为属于基础科研的工业软件研发进行补助，国家对三维CAD研发的资金投入几乎没有了。
工信部从分管工作而言，不能直接以资金支持企业研发的，只能通过搞两化融合支持企业上信息化，通过试点示范和两化贯标等方式，给企业补贴，重点支持对象的是制造业企业。国产工业软件研发公司则基本得不到直接的支持，变成了“姥姥不疼舅舅不爱”的苦孩子。通过企业应用拉动信息化建设，推动了制造业信息化的普及，也培养了一批人才，但它也带来的一个间接的后果，即国家补贴的大量两化融合资金都去买了国外工业软件。
如果从CAD产业发展来看，可以说CAD被无声无息地被调包了。自此以后，近十年来，国家部委层面几乎再也没有明确的资金投入支持国产自主CAD/CAE软件了。
《自主CAE涅槃》一书中提到，在上世纪80年代，中国的CAE发展也是自成一派。具有讽刺意味的是，随着CIMS如火如荼的发展、带来的并非是自主工业软件的崛起，而是国外工业软件的长驱直入，而随后两化融合的大举投入，国外工业软件愈加兴旺发达，此时正是三维CAD开始勃发，CAE开始更加发力的时候，中国自主软件则步步后退。在高端CAD领域，PTC、UG（现在属于西门子）、CATIA已经确立了垄断的位置，中低端的Solidworks、Autodesk、SolidEdge则牢牢把手。
中国的CAD、CAE都溃不成军。以CAE为例，当年一款飞箭软件以其独到的有限元仿真语言，独树一帜。但在多年寻求商业化而无果的境遇下，目前尽管已经更名成元计算，但仍然尴尬地挣扎着，空有好技术却被搁于冷仓。
而在最近几年，当工业4.0变成德国的国家名片,智能制造到了举国热浪的阶段，人们重新认识到，工业软件在其中举足轻重的作用。然而，中国曾经有过起步发展的CAD/CAE软件，却早已经陷入“失去的三十年”。
德国的工业4.0
一份不曾上交的答卷
美国的国家战略一直把“数字化建模和仿真”作为核心战略。美国几乎每年都有新报告，递交到美国高层，反复强高调“建模与仿真”的技术。这也得到美国政府积极的回应和普遍的重视。
几十年来，美国产业界从来没有停止过呐喊，也从来没有停止过行动，从1995年开始加速数字化建模和仿真创新战略，到2005年布什的报告提出计算科学，到2009年依靠建模和仿真，到2010年高性能计算谈到建模和仿真，以及到现在先进制造伙伴计划，都是在围绕着工具模块化和开放式的平台。
2014年美国总统科技委员会确定的11个关键领域有一个打分，根据对国家的影响等指标，这其中，可视化、信息化和数字制造是三大关键领域之一，这里面都是围绕着数字化建模和仿真。而在最新的美国制造业创新网络NNMI，跟智能制造最相关的两个创新中心，一个是数字化的设计与制造，一个是清洁能源的智能制造。无论是国防部牵头，还是能源部牵头，基本上都是围绕着数字化建模和仿真这个核心技术。
然而在中国，核心自主工业软件，从来未曾得到高层的重视。
一晃多年过去，而在今年，中兴事件意外捅开了一个窟窿。芯片的重要性，软件的重要性，终于成为裘衣鲜鞍下面的黑窟窿。
刻骨铭心的工业误判
工业软件的本质是工业品。它从来都是工业的结晶，而非IT的产物。工业软件是工业化长期积累的工业知识与诀窍的结晶，是工业化进程的不可缺少的伴生物。而在中国，很多时候，它却被简单地认为更多是IT软件属性，跟其他管理软件、甚至互联网一起发展。这是一个天大的误判。
而且，这个误判对制造业的发展而言，是一个致命的误伤。如今西门子、GE、施耐德等工业巨头都在拼命并购软件，打造软硬一体化的公司。仅就代码行数而言，世界上最大的软件公司，不是微软，不是 SAP，而是制造业的翘楚、全球最大的军火商洛克希德马丁公司。
时至今日，每一件工业品，几乎都是工业软件的结晶，每一台装备，离开了软件都不能运行。但是，每一种国外工业软件里面究竟有什么，却是谁也说不清。这是一个失控的数字世界。貌似强大的“中国制造”，恰恰就是站立在失控的工业软件的数字世界之颠。
对于中国工业来说，工业软件岂止是短板，已经是“断”板，是“断”命之板。当许多人都在沉迷工业互联网、人工智能、大数据来推动制造业转型升级的时候，没有人意识到这些概念如果脱光了一层一层衣服，最内核的就是工业软件。更可怕的是，人们连呐喊的力气都没有了。发展自主的高端CAD、CAE软件，已经成为人们心中认定的不可能之事。
伴随着数字化、网络化和智能化的深入发展，中国正在向智能制造迅速转型。中国制造业缺少核心工业软件，将是一柄达摩克利斯之剑，长悬于中国制造之项顶。没有自主核心工业软件的支撑，中国制造强国只能是一梦之醉。
而此刻，整个行业却呈现可怕的沉默。
本文作者为林雪萍，风云之声，部分内容射频百花潭编辑整理。
閱讀更多 產業智能官 的文章
