汽车仿真技术

汽车仿真技术 作者 何文昊 摘要 仿真技术在汽车生产过程中扮演重要角色，根据汽车产品制造阶段可分为CAD、CAE、CAM三种，其中CAD用于前期产品设计，CAE用于产品性能及结构分析；CAM用于产品生产制造的落地；CAD将工业设计以数字化模型的方式，协助工程技术人员完成产品设计，从而提升产品开发效率、降低开发成本、缩短开发周期，据统计结果表明，在应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例从80%下降至8%。头豹预测，未来中国汽车仿真市场在下游汽车渗透率将保持平稳增长，汽车仿真将从2021年33.0亿元的市场规模，以15.4%的复合增长率在2026年达77.8亿元 行业 头豹分类/制造业/汽车制造业/汽车零部件及配件制造 头豹分类/制造业/汽车制造业/汽车整车制造 头豹分类/制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业/通信设备制造 头豹分类/制造业/计算机、通信和其他电子设备制造业/智能消费设备制造/智能车载设备制造 头豹分类/信息传输、软件和信息技术服务业/软件和信息技术服务业/其他信息技术服务业 港股分类法/消费品制造/汽车 港股分类法/信息科技/通讯器材 关键词 汽车 汽车制造 工业互联网 汽车仿真技术行业定义 1. 仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的一门多学科综合性制作，具备经济、可靠、实用、安全、重复使用等特点。仿真技术根据产品制造阶段可分为CAD、CAE、CAM三种，其中CAD用于前期产品设计，CAE用于产品性能及结构分析，CAM用于产品生产制造的落地CAD将工业设计以数字化模型的方式，协助工程技术人员完成产品设计，从而提升产品开发效率、降低开发成本、缩短开发周期。CAE则是在CAD的基础上进一步对现实世界进行仿真分析，实现全过程的科学化、信息化管理，不仅减少制造损耗，还能节约成本，以良好的经济效益实现优良的工程质量。CAM是依靠CAD、CAE的数据进行产品生产，使产品快速落地CAE是三种技术的核心及仿真领域的重点发展技术，其应用于多个产业，特别是汽车、航天等制造复杂，且试验成本高的行业。未来随着CAE愈发成熟，仿真技术运用范围将不断扩大 汽车仿真技术行业分类 2. 汽车仿真技术行业分为CAE/CAD/CAM三个行业，其中CAE是三种技术的核心及仿真领域的重点发展技术，其应用于多个产业，特别是汽车、航天等制造复杂，且试验成本高的行业。从技术2.0起，仿真技术已在汽车研发领域中扮演重要角色，求解器是CAE的核心，其价值最高，且开发难度大 类型名称 类型说明 CAD（计算机辅助设计） 可分为数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。一个完整的CAD系统应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成 CAE（计算机辅助工程） CAD设计后，基于数学模型对测试物体进行计算，得到仿真结果。CAE用计算机辅助求解复杂工程和产品结构及力学性能的分析计算等问题 CAM（计算机辅助制造） 通过直接或间接地把计算机与制造过程和生产设备联系，用计算机系统对制造过程进行计划及管理，同时操作生产设备，最后对产品测试和检验 汽车仿真技术行业特征 3. 一体化 多环节受限于国外垄断技术 国际企业在汽车仿真软硬件上拥有先发优势早已占据市场，国际厂商产业链中上游拥有完善且技术和工程积累深厚，处于垄断地位。而中国企业仍在起步阶段，需要在不断提高关键技术的同时，增强软件持续拓展性及兼容性实现弯道超车 产业紧密型强，易于中游整合市场 CAD、CAE、CAM一体化能增强用户黏性，是产品的发展趋势，同时软件亦将集成更多学科的仿真分析，形成强大且多用途的仿真软 件，中游的另一个环节仿真咨询服务是为下游车企提供仿真工具使用指导、仿真流程评估与优化、仿真软件的部署实施，帮助企业解决实际工程问题，三种仿真技术应用和咨询服务，使得多厂商可以在很大限度给予客户高集中度的服务 汽车仿真技术行业是利用计算机建立模型进行科学实验的过程，在汽车设计空气动力学分析、车辆碰撞模拟、刚度与强度分析等多个场景实现应用。由于国外技术先发优势，行业当前仍处在国外垄断的市场环境，但未来国产替代规模大，本土企业有望蓄势腾飞 国外垄断 国产替代 国产替代空间大，本土企业在政策加码下有望实现突破 尽管未来5年内以国际企业为主导的竞争格局将不会发生变化，但长期来看，随着中国政策大力推动汽车仿真核心技术发展，中国企业有望实现新的突破从而打破垄断，当前本土企业已逐步完成求解器研发，正在步入处理平台研发阶段 汽车仿真技术发展历程 4. 汽车研发技术按人为参与度划分为四个阶段——纯人为干预的物理测试驱动的设计、计算机辅助的仿真驱动的设计、以计算机为主导的大数据驱动的设计、AI加超级大脑决策的人工智能驱动的设计。从技术1.0到技术3.0，人均为最关键、最核心的要素，但在技术4.0的情况下，工程师的角色被颠覆，从研发的主要执行者变成超级大脑的监控人员，确保超级大脑准确无误地执行任务。自技术2.0起，仿真技术已在汽车研发领域中扮演重要角色。即使未来人为参与度逐渐降低，但是仿真技术依旧被广泛应用。大数据驱动及人工智能驱动仅仅是省去人为操作与决策的步骤，而底层架构仍需仿真技术为超级大脑提供数据支撑，所以仿真技术在汽车制造的作用将无法撼动 开始时间：1990结束时间：2000阶段：萌芽期行业大事件：纯人为干预的物理测试驱动的设计 行业影响：试验是检验设计的唯一标准，工程师难以对不同的设计方案作对比研究，试验通过即问题解决，试验不通过才尝试其他方案，以寻找解决方案为目标，忽略选择较优的解决方案，初步的验证环节存在低效且验证结果并不完全的情况 开始时间：2000结束时间：2016阶段：启动期行业大事件：计算机辅助的仿真驱动的设计 行业影响：工程师可以选择已知方案中最优解，以保证冻结的设计方案已经被仿真技术验证满足试验测试要求，不存在由于性能设计缺陷导致的被设计变更的技术风险，减少试验验证频率，加速工程经验积累，但此阶段仍有验证环节时间和花费成本较高 开始时间：2016结束时间：2020阶段：高速发展期行业大事件：以计算机为主导的大数据驱动的设计 行业影响：建立一个高度完善的汽车研发知识数据平台，保证每一个入库的解决方案皆经验证，使工程师遇到设计困难时能在数据库中快速找到解决方案，突破性的减少工程师对技术方案的思考、讨论、论证的时间，仿真软件操作者重心由实施的工程师朝着设计师偏移 开始时间：2020结束时间：2022阶段：成熟期行业大事件：AI加超级大脑决策的人工智能驱动的设计 行业影响：此阶段在大数据与人工智能技术的加持下，对汽车项目流程管理与知识数据库进行深度融合，形成“超级大脑”，研发模式由矩阵化管理向中心化管理转变，工程师的工作重点在于严格执行任务及对“超级大脑”的监控 汽车仿真技术产业链分析 5. 中国汽车仿真产业链上游主要玩家是以西门子、微软、苹果为主的核心软件的基础软件及硬件设备供应商；中游以ANSYS、西门子Autodesk为主的汽车仿真软件开发商及咨询服务商，以整合行业的核心模拟技术CAE、CAD、CAM为中心向汽车领域延伸布局；下游为汽车制造企业，需运用汽车仿真技术增加自身竞争力，以长安汽车为例，通过运用汽车仿真技术节省样车，使动态表现及热管理系统具备量产版本的同等效果，同时将车辆风阻大幅降低汽车仿真技术上游主要为核心软件求解器、基础软件、以及硬件设备，其中因求解器基于本身开发周期长（3-5年）、开发难度高（知识产权壁垒）的特 点，作为上游核心软件价值最高，也是最难实现短期突破的“卡脖子”环节。中游玩家以ANASYS(31.4%份额)；Mathworks（22.2%份额）西门子（10.6%份额）等国际企业占据主导地位，而以英特工程和中望龙腾为主的中国厂商市场份额不足10%，而基础软件及硬件设备对中游影响进一步压榨作为中国厂商的利润率，例如当前行业龙头的达索和ANSYS在2021年分别有15.6%和21.3%的净利润率，而作为中国唯一同时掌握CAD、CAM、CAE核心技术及产品开发能力的厂商中望国际，2021年的利润率仅为2%；中游为汽车仿真软件开发商及咨询服务，主要的CAE、CAD等工业软件涵盖多个基础学科门类，需要参与者长期技术沉淀。而产业下游对接汽车制造厂商，尽管一套完整的仿真系统需要高额的安装、服务费用（以仿真行业头部厂商Ansys为例，NASA花了3910万美元，约2.5亿人民币买了Ansys5年使用权），以完成在航天设计阶段省去大量的验证环节。而下游车企更愿意节省的大量研发费用及研发时间使车企更愿意购买汽车仿真软件，汽车仿真软件为车企带来巨大的经济效益，能有效地优化产品性能，节省大量在从设计到测试环节的时间和花费成本分析师认为，未来车企将广泛应用汽车仿真技术，中游将发挥巨大潜力带动上游行业发展的同时，帮助下游降本增效，具有较大价值，中国汽车仿真市场规模将从2021年的33.0亿元增长至2026年的77.8亿元 上游环节 上游说明 上游参与方 求解器 求解器是汽车仿真软件中价值最高的，难度最 SIEMENS、Ansys、杉数科技（北京）有限公 大，且决定产品竞争力的最关键要素，求解器的 司、华为软件技术有限公司、阿里巴巴（中国） 技术成熟期一般分为三个阶段，技术1-3级突破 网络技术有限公司、联想控股股份有限公司、苹 求解器的“准确性”壁垒，过程通常需要2-3年， 果（中国）有限公司、澳汰尔工程软件（上海） 后续通常分别需要花费额外的1-2年完成“稳定 有限公司 性”（3-6级）和“计算效率”（6-9级）的进阶阶段。而当前求解器龙头厂商通常为仿真软件的提供商，例如Dassault的ABaqus求解器、Ansys求解器，以及西门子的Nastran所使用的商用求解器，其算法和软件本身成熟度均达到8-9级（准确性、稳定性、计算效率各3级），以应对工业、航天所需非线性有限元分析，复杂固体力学、结构力学，多物理场、系统级分析等。当前中国仿真软件龙头中望软件目前已完成3级以上的求解器的自主研发，可帮助用户实现前处理、求解计算、后处理于一体的开发需求，但其求解效率仍与国际厂商有着数倍的差距，当前中国多家仿真技术企业利润掣肘于求解器环节，其中软件2021年为2%的利润率，仅为国际龙头企业ANSYS净利率的10% 操作系统 在操作系统方面，中国依赖国际厂商的提供，当 苹果、微软、东软睿驰汽车技术（上海）有限公 前约90%的运行平台与环境系统为Windows， 司、普华基础软件股份有限公司、北京经纬恒润 若系统不兼容，将限制下游客户的应用。华为鸿 科技股份有限公司 蒙系统的诞生将打破国际企业垄断操作系统的局面，且鸿蒙系统以开源的方式面世将有利于中游汽车仿真软件开发商降低对国际企业操作系统的依赖 硬件设备 在硬件设备方面，主机、储存器、路由器、交换 联想、惠普、新天科技股份有限公司、比亚迪股 机等设备为仿真软件开发提供运行的物理环境， 份有限公司、明珞汽车装备（上海）有限公司、 但由于中国硬件设备处于成熟阶段，竞争激烈， 广东利迅达机器人系统股份有限公司 议价能力较差。同时基于软件提供商逐渐向“软件+服务”的整体解决方案转型，从而减少在海量数据服务器上的成本，因此硬件设备对仿真技术行业中游影响较低 中游环节 中游说明 中游参与方 汽车仿真软件开发商 汽车仿真软件包括适用性广的通用性软件及专业 SIEMENS、Ansys、东软睿驰汽车技术（上 性强的专用性软件。中国仿真技术研究起步晚， 海）有限公司、北京经纬恒润科技股份有限公司 且在制造业的应用也正处于开始普及阶段，懂专 、华为软件技术有限公司 业和掌握仿真技术的复合型人才缺乏，导致核心技术研究滞后于国际企业，难以与国际企业相比。汽车仿真软件开发为汽车仿真产业链中一个重要链条，2019年，全球CAE市场中自汽车行业的应用为其主要收入，占比36%，中游核心价值点在于汽车仿真产业链条在应用CAE技术后，其开发期的费用占开发成本的