（报告出品方/作者：华泰证券，谢春生、郭雅丽）
1CAE的本质是物理学/数学+计算机科学+工程学
CAE基本概念：CAE主要模块包括前处理、求解器和后处理
CAE即计算机辅助设计（ComputerAidedEngineering），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涵盖领域包括有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）、多体动力学（MBD）、耐久性和优化等。
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。
我们认为，工业软件与工业流程一一对应：有什么样的工业流程，就有什么样的工业软件；有什么样先进的工业流程，就有什么样先进的工业软件。
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。
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。
CAE本质：物理学/数学+计算机科学+工程学
CAE软件从本质上来看，可以拆解为三层：数学+物理学（底层）、计算机科学（中层）、工程学（外层）。CAE软件从底层的物理规则和数学公式出发，以现实世界的规则打造软件内核；而后这些法则经过计算机语言编程和算法封装，沉淀为软件本身的求解器，并利用计算机图形学实现可视化和用户交互；最后，结合特定领域工程学的工作流程，CAE软件提供相应领域的求解流程，帮助用户解决工程中的实际问题。
CAE底层是物理学+数学
软件内层来看，物理学和数学是CAE软件的真正核心。
1）数学角度来看，CAE的本质是利用结构离散化的思维解决复杂的工程问题，而离散过程涉及到多种数学求解方法。所谓结构离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单位组合体，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值，得到代数方程组作为原先微分方程组的近似数值解。离散过程用到的求解方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、离散元法（DEM）、边界元法（BEM）、有限体积法（FEV）、无网格法（Meshfree）等等。此外，遗传算法、神经网络算法、梯度下降法等新方法也开始被应用于CAE求解过程。在这些数学算法中，以有限元法（FEM）应用范围最广也最为常见。
以有限元分析为例，有限元问题的根基是数值求解偏微分方程。从前处理到求解、后处理的过程无非是设置形函数，离散，形成求解矩阵、数值解矩阵，最后进行结果分析的过程。有限元方法的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。
2）物理学角度来看，CAE的本质是用物理法则对现实世界进行描述。真实世界存在各种各样的物理场，物理场指某种空间区域，其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力。常见的物理场包括传热、孔隙水流动、浓度场、压力应变场、动力学场、化学场、静电场和静磁场等。此外，每个专业领域又会涉及到特定物理规则，以结构为例，为解决结构设计的问题，有可能会涉及到理论力学、分析力学、材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、振动力学、疲劳力学、断裂力学等一系列特定规则。
真实世界的物理场往往以多物理场并存的形式存在，因此CAE仿真过程还需要将多物理场耦合问题考虑在内。多物理场的应用涉及一个或者多个以上的物理过程或者物理场，是多个学科的交叉。典型的多物理场应用包括土体固结理论理论、流体动力学模拟、电动力学应用、计算电磁场、传感器（如压电材料）的设计、流体-结构相互作用、多孔材料中的能源和气候变化研究等。因此CAE多物理场仿真需要耦合多个物理现象，针对多个相互作用的物理性质进行研究。
CAE中层是计算机科学
CAE软件中层来看，计算机科学是连接底层算法和外层工程学应用的纽带。CAE同其他工业软件一样，其早期发展受到计算机科学发展的深刻影响。拆解CAE软件架构来看，CAE可以按照功能分为9大模块：输入输出、几何、有限元模型、后处理器、求解器、图形、公共模块、高性能计算（HC）、参数优化设计。而计算机科学在其中扮演的角色可以归纳为3点：
1）对物理法则和数学方程进行代码封装。在此基础上搭建物理模型和数学模型，以算法形式建立仿真约束条件；
2）提供仿真过程所需的算力。模拟仿真过程涉及到大量计算过程，需要计算机提供算力支持、加速计算过程（高性能计算）、优化参数设计等，以加快设计过程；
3）提供交互界面与模块。帮助用户在输入流程实现关键参数和规则的输入、实现仿真过程以及在后处理中提供计算机图形处理和展示。
CAE外层是工程学
CAE软件外层来看，对工程知识的理解是CAE在具体应用层面的表达。在数学、物理学构建起的软件内核之上，CAE开发者用计算机科学搭建了基本功能模块，但CAE软件要想真正为用户所用、服务与工业流程，还需要经过工程学的淬炼。
1）从工程学通用流程角度来看，工程问题涉及到概念规划、系统/详细设计、测试、生产等多个环节。如何从软件层面衔接不同流程，实现上下游协作，需要CAE开发者在设计之初就对工程工作流有深刻的思考。
2）从垂直工业领域的工程问题来看，不同工业领域对CAE软件需求有较大差异。一方面，不同行业有自身的设计规范和标准，对产品的测试流程不一、维度不同，制造现场涉及大量的工艺过程需要行业know-how作为支持。另一方面，下游用户的使用习惯和绑定程度也决定了CAE软件在工程学领域的应用形式。
CAEVSCAD：互相包含又各有专攻
CAE与CAD的关系可以简要概括为互相包含又各有专攻。CAD即计算机辅助设计，重点在于设计；CAE即计算机辅助工程，重点在于仿真。
1）从CAE工作流程的来看，仿真过程之前需要创建部件模型和有限元模型以进行前处理。这一过程中，一般的商业CAE软件都提供了CAD功能以供用户对几何模块进行创建、编辑、管理等，但功能较为简单。而复杂的工程问题，其几何模型往往非常复杂，计算工作者更愿意使用专业的几何建模软件（即CAD软件，如AutoCAD、CATIA、Inventor等）来生成此类几何。由此可见，CAD并不是CAE软件的重点，而是CAE软件前处理流程的专业化拓展。但CAE软件中的CAD模块能提高CAE仿真效率，实现对CAD数据的修补，避免外部CAD数据与CAE接口之间的损耗。
2）从CAD工作流程来看，仿真是设计过程向下的自然延伸，不少CAD软件同样包含了CAE仿真功能。如PTC的CAD产品Creo能够实现对结构力学、流体力学、热力学等学科的仿真分析；达索的CAD产品Solidworks擅长结构力学中的断裂、耐久性、压力舱、流体力学中的流体膜、电磁学中的电传导等场景下的仿真分析。
3）发展趋势来看，CAE与CAD有望趋于融合。传统意义上设计与仿真界限分明，CAD软件往往通用性质与垂直性质兼具，而CAE软件则更强调行业与场景下的工程问题的解决，分工明确。但随着研发设计即将承担越来越多的职责，尤其是并行工程（ConcurrentEngineering，CE）等概念从提出到落地，研发已经逐渐从最初的注重产品的外在性质到同时