多年前在SAMPE中國展會上， SAMPE學(xué)會主辦的學(xué)生比賽（碳纖維機(jī)翼和橋梁比賽）吸引了大量觀眾，在與參展的企業(yè)閑聊當(dāng)中，有人提議是否也可以搞一個企業(yè)的賽事，說者無心，聽者有意。從此以后我一直在思考是否可以圍繞企業(yè)的需求搞一個為企業(yè)服務(wù)的比賽，但始終找不到適合的比賽項目。

近年來碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由特種航天推廣到工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維也逐漸由“陽春白雪”過渡到了“下里巴人”，但成本問題始終是困擾工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵。這幾年在與恒神的營銷人員溝通中發(fā)現(xiàn)隨著新能源的推廣應(yīng)用，交通車輛大量采用電池作為動力源，由于電池本身的重量遲遲無法實現(xiàn)輕量化，電池盒的輕量化成了重點對象。

碳纖維的優(yōu)勢就是實現(xiàn)輕量化的選材首選，但其成本高居不下也是未能在工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用的瓶頸。由于作為比賽項目的特點必須形狀和載荷簡單，但又必須在結(jié)構(gòu)上有代表性，因此與SAMPE北京分會的崔振進(jìn)常務(wù)副主席一起探討了將電池盒的輕量化作為比賽項目的可行性，經(jīng)與國內(nèi)電池盒生產(chǎn)龍頭企業(yè)寧德時代的工程師一起商討，提出了初步的比賽方案。考慮到電池盒的設(shè)計非常復(fù)雜，考慮的因素很多，電池盒比賽不可能包含電池盒設(shè)計的所有要求，只能選取其中影響重量的關(guān)鍵部分。

對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，行業(yè)內(nèi)流行這樣幾句話：“設(shè)計是龍頭，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，應(yīng)用是目的”，聯(lián)想到風(fēng)電葉片行業(yè)原來認(rèn)為碳纖維成本高，只有少數(shù)大功率葉片才可能應(yīng)用碳纖維，到現(xiàn)在每年用量超過了特種航天，達(dá)到2萬噸以上，究其原因，VESTAS公司在設(shè)計中打破了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，把以預(yù)浸料鋪貼和真空導(dǎo)入整體成型為主的設(shè)計理念改變?yōu)榘阎髁航Y(jié)構(gòu)改為先生產(chǎn)便宜高效的標(biāo)準(zhǔn)化拉擠梁片，再把這些梁片整體成型的設(shè)計理念，在設(shè)計理念上的革命性變化使得“陽春白雪”的碳纖維主梁變成了可以為風(fēng)電行業(yè)認(rèn)可的“下里巴人”（證據(jù)是碳纖維制品價格由50$/kg降為18$/kg，數(shù)據(jù)來自林剛的碳纖維市場分析報告），因此工業(yè)領(lǐng)域推廣碳纖維應(yīng)用的關(guān)鍵是設(shè)計理念的變更和結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析?？v觀國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域復(fù)合材料制品市場，凡是承載結(jié)構(gòu)，其設(shè)計絕大部分來源于國外，基本上是來料加工或是購買國外的設(shè)計圖紙和制造工藝然后進(jìn)行生產(chǎn)的或是仿制品，缺少自己的知識產(chǎn)權(quán)。究其原因缺少復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)設(shè)計的人員和技術(shù)是關(guān)鍵，因此策劃的電池盒大賽的目的是推動業(yè)界對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視，并吸引有院校和企業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)的碩士、博士及其他技術(shù)人員重視復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精細(xì)化和低成本設(shè)計，給他們展示才能的機(jī)會，并為企業(yè)發(fā)現(xiàn)有關(guān)人才與所需亮點的平臺。

國內(nèi)已有多項復(fù)合材料結(jié)構(gòu)賽事，其共同特點是均要求載荷/重量比最低，根據(jù)工業(yè)領(lǐng)域的實際需求，本項大賽強(qiáng)調(diào)在滿足要求的載荷條件下同時要求重量最輕和成本最低，重量最輕的不一定是第一名，還要考慮成本，當(dāng)然嚴(yán)格說來成本估算是一項很復(fù)雜的課題，但有經(jīng)驗的業(yè)界專家可以很容易判斷。

由于電池盒大賽是個新鮮事物，企業(yè)對此不太了解，一直沒有得到贊助，出于對推動碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的熱情，SAMPE學(xué)會自行出資10萬元作為獎金（組織賽事的其他費用在外）在2017年首次推出這項賽事，并于2018年繼續(xù)舉辦。這兩屆賽事在一定程度上起到了業(yè)界對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計的重視，第一屆比賽，由于參賽人員只關(guān)注制造出一個作品，基本上沒有進(jìn)行過設(shè)計分析，只有兩個參賽作品滿足要求的載荷，而且是在關(guān)鍵部位使用了金屬，雖然很重，但限于規(guī)則分獲前兩名，第三名載荷測試未達(dá)標(biāo)，但因比較接近又兼設(shè)計方面有些創(chuàng)新，依然給予了獎金。第二屆比賽參賽作品對結(jié)構(gòu)設(shè)計予以了重視，在制作作品前普遍進(jìn)行了數(shù)個結(jié)構(gòu)選型比較和有限元分析，參賽作品的重量大大減輕，在推動重視精細(xì)化分析方面起到了作用，但在降低成本方面普遍沒有真正的認(rèn)識，基本上均采用全碳纖維復(fù)合材料，因此嚴(yán)格意義上講，沒有達(dá)到預(yù)期的目的。作者在“六論國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路——軌交復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化之路”一文中曾提出了實現(xiàn)低成本的一些建議，其中有幾點摘錄如下供今年參賽人員參考：

1)、整體化結(jié)構(gòu)與工藝成本的權(quán)衡 

復(fù)合材料成型工藝的特點是適合于整體成型復(fù)雜形狀零件，可以減少裝配工作量和緊固件，但會增加模具的復(fù)雜性和加工成本，同時過分整體化給維修帶來隱患，必須適度。

2)、充分利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性 

很多缺乏碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師不會利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性，習(xí)慣于按準(zhǔn)各向同性材料進(jìn)行設(shè)計，只是利用密度小的優(yōu)勢，往往達(dá)不到最佳的減重效果。此外習(xí)慣于采用夾層結(jié)構(gòu)來提高結(jié)構(gòu)剛度，不習(xí)慣采用加筋結(jié)構(gòu)來滿足剛度要求。

3)、創(chuàng)新的連接方法 

連接一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，軌交復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無法采用金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)連接方式，采用特種結(jié)構(gòu)的連接方式往往比較昂貴，如何在二者當(dāng)中取得平衡，可能必須采用創(chuàng)新的連接方式。

4)、多種材料/多種工藝混用 

有兩個層次的混用，即組件結(jié)構(gòu)級和零件級。組件級中零件可以采用不同材料和工藝制造，然后將不同材料（工藝）制造的零件進(jìn)行組裝，其中關(guān)鍵零件可能需要使用碳纖維復(fù)合材料，其他零件可以采用玻璃纖維、工程塑料、SMC、LFT甚至金屬制造，然后組裝在一起；零件級也可以采用多種材料/工藝一次成型，如圖4和圖5所示，也可以像風(fēng)電葉片一樣，由不同材料/工藝生產(chǎn)出半成品零件最后整體成型。

5)、結(jié)構(gòu)功能一體化 

傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要考慮中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求，其他功能，例如保溫、減震降噪、電磁性能、導(dǎo)電性能等采用其他方法解決，今后可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時利用復(fù)合材料可設(shè)計性（包括功能）的優(yōu)勢，通過特種纖維、樹脂或夾芯材料及材料設(shè)計，在結(jié)構(gòu)成型的同時滿足其特種功能需求。

6)、結(jié)構(gòu)組件標(biāo)準(zhǔn)化

風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新在于將復(fù)雜大型整體成型的葉片分解為將若干標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組裝后整體成型，其中的標(biāo)準(zhǔn)件可以采用傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn)，其性能優(yōu)于一次整體成型的大型零件。這種設(shè)計思路同樣可以在軌交復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用。

對本次電池盒大賽，希望參賽人員真正在低成本方面予以重視，從事汽車輕量化的技術(shù)人員已普遍接受了多種材料和多種工藝混用的理念，要把碳纖維用到該用的部位；風(fēng)電葉片輕量化的技術(shù)人員把便宜高效高質(zhì)量的拉擠成型作為標(biāo)準(zhǔn)件作為預(yù)制品然后整體成型實現(xiàn)了減重的同時降低了成本，這些都是碳纖維復(fù)合材料進(jìn)入工業(yè)品領(lǐng)域值得關(guān)注的經(jīng)驗，也值得參賽人員借鑒。作者在同一微文中指出參與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各類設(shè)計人員的長處和短處，也希望參賽人員關(guān)注：

最后希望對使用碳纖維復(fù)合材料的企業(yè)能對此項賽事予以關(guān)注，特別是能夠予以贊助，使得這項賽事能夠持續(xù)下去，為碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用，為企業(yè)本身的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

SAMPE 中國2019年會將于今年5月6-8日在北京·中國國際展覽中心（老館）舉行，同期將舉辦“第三屆SAMPE 復(fù)合材料工業(yè)制品 DIY 設(shè)計制作競賽”，具體比賽相關(guān)信息將持續(xù)更新。