轻量化电池盒大赛的来历和初衷是什么

多年前在SAMPE中国展会上， SAMPE学会主办的学生比赛（碳纤维机翼和桥梁比赛）吸引了大量观众，在与参展的企业闲聊当中，有人提议是否也可以搞一个企业的赛事，说者无心，听者有意。从此以后我一直在思考是否可以围绕企业的需求搞一个为企业服务的比赛，但始终找不到适合的比赛项目。

近年来碳纤维应用领域逐渐由特种航天推广到工业领域，碳纤维也逐渐由“阳春白雪”过渡到了“下里巴人”，但成本问题始终是困扰工业领域大量应用的关键。这几年在与恒神的营销人员沟通中发现随着新能源的推广应用，交通车辆大量采用电池作为动力源，由于电池本身的重量迟迟无法实现轻量化，电池盒的轻量化成了重点对象。

碳纤维的优势就是实现轻量化的选材首选，但其成本高居不下也是未能在工业领域大量应用的瓶颈。由于作为比赛项目的特点必须形状和载荷简单，但又必须在结构上有代表性，因此与SAMPE北京分会的崔振进常务副主席一起探讨了将电池盒的轻量化作为比赛项目的可行性，经与国内电池盒生产龙头企业宁德时代的工程师一起商讨，提出了初步的比赛方案。考虑到电池盒的设计非常复杂，考虑的因素很多，电池盒比赛不可能包含电池盒设计的所有要求，只能选取其中影响重量的关键部分。

对复合材料结构设计，行业内流行这样几句话：“设计是龙头，材料是基础，制造是关键，应用是目的”，联想到风电叶片行业原来认为碳纤维成本高，只有少数大功率叶片才可能应用碳纤维，到现在每年用量超过了特种航天，达到2万吨以上，究其原因，VESTAS公司在设计中打破了传统的设计理念，把以预浸料铺贴和真空导入整体成型为主的设计理念改变为把主梁结构改为先生产便宜高效的标准化拉挤梁片，再把这些梁片整体成型的设计理念，在设计理念上的革命性变化使得“阳春白雪”的碳纤维主梁变成了可以为风电行业认可的“下里巴人”（证据是碳纤维制品价格由50$/kg降为18$/kg，数据来自林刚的碳纤维市场分析报告），因此工业领域推广碳纤维应用的关键是设计理念的变更和结构设计与分析。纵观国内工业领域复合材料制品市场，凡是承载结构，其设计绝大部分来源于国外，基本上是来料加工或是购买国外的设计图纸和制造工艺然后进行生产的或是仿制品，缺少自己的知识产权。究其原因缺少复合材料结构精细设计的人员和技术是关键，因此策划的电池盒大赛的目的是推动业界对复合材料结构设计的重视，并吸引有院校和企业结构设计专业的硕士、博士及其他技术人员重视复合材料结构的精细化和低成本设计，给他们展示才能的机会，并为企业发现有关人才与所需亮点的平台。

国内已有多项复合材料结构赛事，其共同特点是均要求载荷/重量比最低，根据工业领域的实际需求，本项大赛强调在满足要求的载荷条件下同时要求重量最轻和成本最低，重量最轻的不一定是第一名，还要考虑成本，当然严格说来成本估算是一项很复杂的课题，但有经验的业界专家可以很容易判断。

由于电池盒大赛是个新鲜事物，企业对此不太了解，一直没有得到赞助，出于对推动碳纤维复合材料在工业领域应用的热情，SAMPE学会自行出资10万元作为奖金（组织赛事的其他费用在外）在2017年首次推出这项赛事，并于2018年继续举办。这两届赛事在一定程度上起到了业界对复合材料结构精细化设计的重视，第一届比赛，由于参赛人员只关注制造出一个作品，基本上没有进行过设计分析，只有两个参赛作品满足要求的载荷，而且是在关键部位使用了金属，虽然很重，但限于规则分获前两名，第三名载荷测试未达标，但因比较接近又兼设计方面有些创新，依然给予了奖金。第二届比赛参赛作品对结构设计予以了重视，在制作作品前普遍进行了数个结构选型比较和有限元分析，参赛作品的重量大大减轻，在推动重视精细化分析方面起到了作用，但在降低成本方面普遍没有真正的认识，基本上均采用全碳纤维复合材料，因此严格意义上讲，没有达到预期的目的。作者在“六论国产碳纤维产业化之路——轨交复合材料产业化之路”一文中曾提出了实现低成本的一些建议，其中有几点摘录如下供今年参赛人员参考：

1)、整体化结构与工艺成本的权衡 

复合材料成型工艺的特点是适合于整体成型复杂形状零件，可以减少装配工作量和紧固件，但会增加模具的复杂性和加工成本，同时过分整体化给维修带来隐患，必须适度。

2)、充分利用复合材料铺层的可设计性 

很多缺乏碳纤维复合材料结构设计经验的设计师不会利用复合材料铺层的可设计性，习惯于按准各向同性材料进行设计，只是利用密度小的优势，往往达不到最佳的减重效果。此外习惯于采用夹层结构来提高结构刚度，不习惯采用加筋结构来满足刚度要求。

3)、创新的连接方法 

连接一直是结构设计的难点，轨交复合材料结构无法采用金属结构的传统连接方式，采用特种结构的连接方式往往比较昂贵，如何在二者当中取得平衡，可能必须采用创新的连接方式。

4)、多种材料/多种工艺混用 

有两个层次的混用，即组件结构级和零件级。组件级中零件可以采用不同材料和工艺制造，然后将不同材料（工艺）制造的零件进行组装，其中关键零件可能需要使用碳纤维复合材料，其他零件可以采用玻璃纤维、工程塑料、SMC、LFT甚至金属制造，然后组装在一起；零件级也可以采用多种材料/工艺一次成型，如图4和图5所示，也可以像风电叶片一样，由不同材料/工艺生产出半成品零件最后整体成型。

5)、结构功能一体化 

传统碳纤维复合材料结构主要考虑中结构力学性能要求，其他功能，例如保温、减震降噪、电磁性能、导电性能等采用其他方法解决，今后可以在结构设计时利用复合材料可设计性（包括功能）的优势，通过特种纤维、树脂或夹芯材料及材料设计，在结构成型的同时满足其特种功能需求。

6)、结构组件标准化

风电叶片的结构设计创新在于将复杂大型整体成型的叶片分解为将若干标准件进行组装后整体成型，其中的标准件可以采用传统工艺高效生产，其性能优于一次整体成型的大型零件。这种设计思路同样可以在轨交复合材料结构中采用。

对本次电池盒大赛，希望参赛人员真正在低成本方面予以重视，从事汽车轻量化的技术人员已普遍接受了多种材料和多种工艺混用的理念，要把碳纤维用到该用的部位；风电叶片轻量化的技术人员把便宜高效高质量的拉挤成型作为标准件作为预制品然后整体成型实现了减重的同时降低了成本，这些都是碳纤维复合材料进入工业品领域值得关注的经验，也值得参赛人员借鉴。作者在同一微文中指出参与复合材料结构的各类设计人员的长处和短处，也希望参赛人员关注：

最后希望对使用碳纤维复合材料的企业能对此项赛事予以关注，特别是能够予以赞助，使得这项赛事能够持续下去，为碳纤维复合材料在工业领域扩大应用，为企业本身的发展作出贡献。

SAMPE 中国2019年会将于今年5月6-8日在北京·中国国际展览中心（老馆）举行，同期将举办“第三届SAMPE 复合材料工业制品 DIY 设计制作竞赛”，具体比赛相关信息将持续更新。