多年前在SAMPE中國展會上， SAMPE學會主辦的學生比賽（碳纖維機翼和橋梁比賽）吸引了大量觀眾，在與參展的企業閑聊當中，有人提議是否也可以搞一個企業的賽事，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的需求搞一個為企業服務的比賽，但始終找不到適合的比賽項目。

近年來碳纖維應用領域逐漸由特種航天推廣到工業領域，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領域大量應用的關鍵。這幾年在與恒神的營銷人員溝通中發現隨著新能源的推廣應用，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輕量化，電池盒的輕量化成了重點對象。

碳纖維的優勢就是實現輕量化的選材首選，但其成本高居不下也是未能在工業領域大量應用的瓶頸。由于作為比賽項目的特點必須形狀和載荷簡單，但又必須在結構上有代表性，因此與SAMPE北京分會的崔振進常務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，經與國內電池盒生產龍頭企業寧德時代的工程師一起商討，提出了初步的比賽方案。考慮到電池盒的設計非常復雜，考慮的因素很多，電池盒比賽不可能包含電池盒設計的所有要求，只能選取其中影響重量的關鍵部分。

對復合材料結構設計，行業內流行這樣幾句話：“設計是龍頭，材料是基礎，制造是關鍵，應用是目的”，聯想到風電葉片行業原來認為碳纖維成本高，只有少數大功率葉片才可能應用碳纖維，到現在每年用量超過了特種航天，達到2萬噸以上，究其原因，VESTAS公司在設計中打破了傳統的設計理念，把以預浸料鋪貼和真空導入整體成型為主的設計理念改變為把主梁結構改為先生產便宜高效的標準化拉擠梁片，再把這些梁片整體成型的設計理念，在設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電行業認可的“下里巴人”（證據是碳纖維制品價格由50$/kg降為18$/kg，數據來自林剛的碳纖維市場分析報告），因此工業領域推廣碳纖維應用的關鍵是設計理念的變更和結構設計與分析。縱觀國內工業領域復合材料制品市場，凡是承載結構，其設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計圖紙和制造工藝然后進行生產的或是仿制品，缺少自己的知識產權。究其原因缺少復合材料結構精細設計的人員和技術是關鍵，因此策劃的電池盒大賽的目的是推動業界對復合材料結構設計的重視，并吸引有院校和企業結構設計專業的碩士、博士及其他技術人員重視復合材料結構的精細化和低成本設計，給他們展示才能的機會，并為企業發現有關人才與所需亮點的平臺。

國內已有多項復合材料結構賽事，其共同特點是均要求載荷/重量比最低，根據工業領域的實際需求，本項大賽強調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，當然嚴格說來成本估算是一項很復雜的課題，但有經驗的業界專家可以很容易判斷。

由于電池盒大賽是個新鮮事物，企業對此不太了解，一直沒有得到贊助，出于對推動碳纖維復合材料在工業領域應用的熱情，SAMPE學會自行出資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年繼續舉辦。這兩屆賽事在一定程度上起到了業界對復合材料結構精細化設計的重視，第一屆比賽，由于參賽人員只關注制造出一個作品，基本上沒有進行過設計分析，只有兩個參賽作品滿足要求的載荷，而且是在關鍵部位使用了金屬，雖然很重，但限于規則分獲前兩名，第三名載荷測試未達標，但因比較接近又兼設計方面有些創新，依然給予了獎金。第二屆比賽參賽作品對結構設計予以了重視，在制作作品前普遍進行了數個結構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識，基本上均采用全碳纖維復合材料，因此嚴格意義上講，沒有達到預期的目的。作者在“六論國產碳纖維產業化之路——軌交復合材料產業化之路”一文中曾提出了實現低成本的一些建議，其中有幾點摘錄如下供今年參賽人員參考：

1)、整體化結構與工藝成本的權衡 

復合材料成型工藝的特點是適合于整體成型復雜形狀零件，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)、充分利用復合材料鋪層的可設計性 

很多缺乏碳纖維復合材料結構設計經驗的設計師不會利用復合材料鋪層的可設計性，習慣于按準各向同性材料進行設計，只是利用密度小的優勢，往往達不到最佳的減重效果。此外習慣于采用夾層結構來提高結構剛度，不習慣采用加筋結構來滿足剛度要求。

3)、創新的連接方法 

連接一直是結構設計的難點，軌交復合材料結構無法采用金屬結構的傳統連接方式，采用特種結構的連接方式往往比較昂貴，如何在二者當中取得平衡，可能必須采用創新的連接方式。

4)、多種材料/多種工藝混用 

有兩個層次的混用，即組件結構級和零件級。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）制造的零件進行組裝，其中關鍵零件可能需要使用碳纖維復合材料，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，也可以像風電葉片一樣，由不同材料/工藝生產出半成品零件最后整體成型。

5)、結構功能一體化 

傳統碳纖維復合材料結構主要考慮中結構力學性能要求，其他功能，例如保溫、減震降噪、電磁性能、導電性能等采用其他方法解決，今后可以在結構設計時利用復合材料可設計性（包括功能）的優勢，通過特種纖維、樹脂或夾芯材料及材料設計，在結構成型的同時滿足其特種功能需求。

6)、結構組件標準化

風電葉片的結構設計創新在于將復雜大型整體成型的葉片分解為將若干標準件進行組裝后整體成型，其中的標準件可以采用傳統工藝高效生產，其性能優于一次整體成型的大型零件。這種設計思路同樣可以在軌交復合材料結構中采用。

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；風電葉片輕量化的技術人員把便宜高效高質量的拉擠成型作為標準件作為預制品然后整體成型實現了減重的同時降低了成本，這些都是碳纖維復合材料進入工業品領域值得關注的經驗，也值得參賽人員借鑒。作者在同一微文中指出參與復合材料結構的各類設計人員的長處和短處，也希望參賽人員關注：

最后希望對使用碳纖維復合材料的企業能對此項賽事予以關注，特別是能夠予以贊助，使得這項賽事能夠持續下去，為碳纖維復合材料在工業領域擴大應用，為企業本身的發展作出貢獻。

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 復合材料工業制品 DIY 設計制作競賽”，具體比賽相關信息將持續更新。