纤维增强复合材料因其显著的轻量化优势，在航空航天等领域已应用六十余年。复合材料层合板具有各向异性与性能可设计性，工程上长期采用固定的4种铺层角度进行组合实现按需设计。然而，层合板面外非均质性与耦合效应也显著增加了设计与分析复杂度。针对上述问题，中国科学院力学研究所团队联合香港科技大学与斯坦福大学学者开展合作研究，提出了均衡铺层系列（n-Double）设计方法，利用其面外等效均质特性，可显著简化层合板的设计与制备流程。

在基础理论方面，研究团队结合经典层合板理论，建立了基于生成式和可解释性AI模型的层合板定量设计准则挖掘工具。数据驱动结果表明，均衡铺层系列通过简单的重复铺放即可实现近似最优的面外均质化效果。其中，双均衡铺层形式具有最低的设计维度，在较小厚度下即可获得良好均质化。而三均衡铺层形式在均质化基础上进一步拓展了力学性能的设计空间。

通过典型结构实例，研究验证了均衡铺层的均质化特性能够降低设计与制造复杂度。以V形结构件固化变形为例，传统层合板的耦合项会引入明显的工艺诱导翘曲，而双均衡铺层系列的固化变形整体处于较低水平。三点弯曲分析进一步表明，传统层合板弯曲刚度受耦合项影响呈现显著厚度效应；相比之下，双均衡层合板系列的弯曲性能对厚度变化不敏感。基于这一特性，可便捷实现层合板变厚度设计，从而进一步拓展传统复材结构的轻量化空间。以受弯梁为例，在相同结构重量条件下，基于双均衡铺层的变厚度设计实现了刚度提升26%，提高了材料利用效率；同时，变厚度连接结构的强度相比等厚度的传统铺层提高13%。该研究为先进复合材料的高效设计提供了理论支撑与方法工具，对新一代航空航天轻量化结构开发具有重要实践价值。

相关研究成果发表于《Composites Part A》《Thin-Walled Structures》《Composites Communications》《Composites Part C》等期刊。论文通讯作者为力学所流固耦合实验室邱诚副研究员，合作者包括香港科技大学杨晶磊教授，斯坦福大学Stephen Tsai教授等。研究获得中国科学院国际伙伴计划项目（025GJHZ2022103FN），中国科协青年人才托举工程（YESS20230133）等的支持。

图1 双均衡层合板具有较低的固化翘曲变形

图2 基于双均衡层合板均质化特性的变厚度轻量化设计相同质量下 (a)刚度提升（b）强度提升