多年前在SAMPE中國(guó)展會(huì)上， SAMPE學(xué)會(huì)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(gè)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(gè)為企業(yè)服務(wù)的比賽，但始終找不到適合的比賽項(xiàng)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(yíng)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(dòng)力源，由于電池本身的重量遲遲無法實(shí)現(xiàn)輕量化，電池盒的輕量化成了重點(diǎn)對(duì)象。

碳纖維的優(yōu)勢(shì)就是實(shí)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(xiàng)目的特點(diǎn)必須形狀和載荷簡(jiǎn)單，但又必須在結(jié)構(gòu)上有代表性，因此與SAMPE北京分會(huì)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(xiàng)目的可行性，經(jīng)與國(guó)內(nèi)電池盒生產(chǎn)龍頭企業(yè)寧德時(shí)代的工程師一起商討，提出了初步的比賽方案?？紤]到電池盒的設(shè)計(jì)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(jì)的所有要求，只能選取其中影響重量的關(guān)鍵部分。

對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，行業(yè)內(nèi)流行這樣幾句話：“設(shè)計(jì)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(jì)中打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)理念，在設(shè)計(jì)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(jià)格由50$/kg降為18$/kg，數(shù)據(jù)來自林剛的碳纖維市場(chǎng)分析報(bào)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(jì)理念的變更和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析?？v觀國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域復(fù)合材料制品市場(chǎng)，凡是承載結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)絕大部分來源于國(guó)外，基本上是來料加工或是購(gòu)買國(guó)外的設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)權(quán)。究其原因缺少?gòu)?fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)設(shè)計(jì)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(dòng)業(yè)界對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重視，并吸引有院校和企業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，給他們展示才能的機(jī)會(huì)，并為企業(yè)發(fā)現(xiàn)有關(guān)人才與所需亮點(diǎn)的平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)賽事，其共同特點(diǎn)是均要求載荷/重量比最低，根據(jù)工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求，本項(xiàng)大賽強(qiáng)調(diào)在滿足要求的載荷條件下同時(shí)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(xiàng)很復(fù)雜的課題，但有經(jīng)驗(yàn)的業(yè)界專家可以很容易判斷。

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由于電池盒大賽是個(gè)新鮮事物，企業(yè)對(duì)此不太了解，一直沒有得到贊助，出于對(duì)推動(dòng)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(huì)自行出資10萬元作為獎(jiǎng)金（組織賽事的其他費(fèi)用在外）在2017年首次推出這項(xiàng)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(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)的重視，第一屆比賽，由于參賽人員只關(guān)注制造出一個(gè)作品，基本上沒有進(jìn)行過設(shè)計(jì)分析，只有兩個(gè)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(cè)試未達(dá)標(biāo)，但因比較接近又兼設(shè)計(jì)方面有些創(chuàng)新，依然給予了獎(jiǎng)金。第二屆比賽參賽作品對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以了重視，在制作作品前普遍進(jìn)行了數(shù)個(gè)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(dòng)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(shí)，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(guó)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(shí)現(xiàn)低成本的一些建議，其中有幾點(diǎn)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(diǎn)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(huì)增加模具的復(fù)雜性和加工成本，同時(shí)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(jì)性 

很多缺乏碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師不會(huì)利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計(jì)性，習(xí)慣于按準(zhǔn)各向同性材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是利用密度小的優(yōu)勢(shì)，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。

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3)、創(chuàng)新的連接方法 

連接一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，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(gè)層次的混用，即組件結(jié)構(gòu)級(jí)和零件級(jí)。組件級(jí)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(jí)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(jì)時(shí)利用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性（包括功能）的優(yōu)勢(shì)，通過特種纖維、樹脂或夾芯材料及材料設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)成型的同時(shí)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(jì)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(jì)思路同樣可以在軌交復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用。

對(duì)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(shí)現(xiàn)了減重的同時(shí)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(yàn)，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(jì)人員的長(zhǎng)處和短處，也希望參賽人員關(guān)注：

最后希望對(duì)使用碳纖維復(fù)合材料的企業(yè)能對(duì)此項(xiàng)賽事予以關(guān)注，特別是能夠予以贊助，使得這項(xiàng)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(guó)2019年會(huì)將于今年5月6-8日在北京·中國(guó)國(guó)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(jì)制作競(jìng)賽”，具體比賽相關(guān)信息將持續(xù)更新。