传统复合材料设计的局限性
纤维增强复合材料已广泛应用于航空航天领域超过六十年，其主要优势在于能够显著减轻结构重量。然而，传统复合材料层合板设计存在长期困扰工程师们的几个问题。
“传统复合材料层合板具有各向异性和设计复杂性，这使得工程师们通常只能采用固定的四种铺层角度组合来进行设计。”中国科学院力学研究所的研究负责人解释道，“这种方法不仅限制了材料性能的优化空间，还增加了制造过程的复杂性。”
此外，传统层合板在制造过程中容易产生翘曲变形，特别是在制作V形零件时这一问题更为突出。同时，材料性能随厚度变化而波动，影响了结构的稳定性和可靠性。
创新解决方案：平衡铺层设计
为了解决这些难题，研究团队将传统工程方法与人工智能技术相结合，开发出一种创新的平衡铺层设计方法。该方法通过简化铺层序列，实现了材料性能的均匀性和设计制造的高效性。
“我们提出的平衡铺层方法，特别是’double-double’（DD）型架构，使用简化的铺层序列，以更少的设计变量实现了更高的刚度和强度。”该研究团队负责人介绍道。
研究团队发现，通过采用特定的平衡铺层模式，可以显著简化材料设计过程，同时获得更加均匀的材料性能。其中，”双平衡”模式最为简单，即使在薄材料中也表现出色；而”三平衡”模式则提供了更大的设计灵活性，使工程师能够在保持材料均匀性的同时，精确调整材料的机械性能。
Imech：基于双平衡层压体均质特性的变厚轻量化设计：（a）在相同质量下提升刚性和（b）增强强度（来源：中国科学院力学研究所）
性能提升数据显著
通过结构实例验证，研究团队展示了这种新型复合材料设计的显著优势：
抗变形能力提升：在V形零件制造中，传统层合板在固化过程中会产生大量翘曲，而采用双平衡层合板设计的变形量要小得多。
弯曲性能稳定性：传统材料的弯曲刚度随厚度变化很大，而双平衡层合板即使在厚度发生变化时，仍能保持稳定的弯曲性能。
结构刚度提升：在梁的弯曲应用中，使用双平衡层合板的变厚度设计，可以在保持相同重量的情况下，提高26%的结构刚度。
接头强度增强：与传统等厚度设计相比，新型设计使接头处的强度提高了约13%。
“这些性能提升对于航空航天结构设计具有重要意义，”该研究团队负责人强调，“特别是在追求极致轻量化的今天，每一性能的提升都可能带来飞行器性能的显著改善。”
应用前景广阔
这项研究成果为先进复合材料的设计提供了更高效的方法和理论，对下一代轻量化航空航天结构的建造具有重要价值。复合材料在航空航天领域的应用日益广泛，中国广汽集团开发的多旋翼飞行器Govy AirCab就是一个典型案例，该飞行器超过90%的材料由碳纤维复合材料制成。
“随着空中出行和无人机技术的发展，对更轻、更强的材料需求日益迫切。”该研究团队负责人表示，“我们的技术突破将有助于推动航空航天器向更轻量化、更高效的方向发展。”
这项研究不仅为复合材料设计提供了新思路，还通过简化制造流程降低了生产成本，为未来航空航天器的批量生产奠定了基础。研究团队计划下一步将这一技术应用于更多实际结构设计中，并探索其在其他领域的应用可能性。
中国科学院力学研究所联合香港科技大学和斯坦福大学开发的平衡铺层设计方法，为航空航天复合材料的创新设计开辟了新路径。通过简化设计流程同时提升材料性能，这一技术突破将助力航空航天器实现更优的轻量化设计，推动整个行业向更高水平发展。
封面照片：由中国广汽集团开发的多旋翼飞行器GovyAirCab，采用超过90%碳纤维复合材料（来源：广汽集团）
