在航空航天领域，轻量化一直是结构设计的核心追求，而纤维增强复合材料凭借其超高的比强度与比模量，已经在这个领域应用了六十余年，成为了新一代飞行器结构的核心材料。
传统的复合材料层合板设计，长期依赖 0°、±45°、90° 这 4 种固定铺层角度的组合，虽然能够实现按需定制性能，但层合板面外的非均质性与耦合效应，却让设计与分析的复杂度陡增 —— 工程师不仅要反复调整铺层顺序来抵消耦合效应，还要应对变厚度设计带来的性能波动，大大拖慢了研发效率。
针对这一行业痛点，中国科学院力学研究所流固耦合实验室的邱诚副研究员团队，联合香港科技大学杨晶磊教授、斯坦福大学 Stephen Tsai 教授等国际学者，提出了全新的均衡铺层系列（n-Double）设计方法，借助其面外等效均质的特性，一举解决了传统设计的复杂度难题。
在基础理论层面，研究团队没有止步于经验设计，而是结合经典层合板理论，搭建了一套融合生成式与可解释性 AI 的设计准则挖掘工具。通过海量数据的训练与分析，团队发现：均衡铺层系列只需要简单的重复铺放，就能实现近似最优的面外均质化效果！
其中，双均衡（2-Double）铺层形式拥有最低的设计维度，哪怕在较小的结构厚度下，也能实现良好的均质化效果；而三均衡（3-Double）铺层，则在均质化的基础上，进一步拓展了力学性能的设计空间，让工程师可以在简化设计的同时，依然保留性能的可调性。
为了验证这一方法的有效性，研究团队开展了多组典型结构的验证实验，从试件制备到性能测试，每一步都依托专业的实验设备保障结果的准确性：
研究团队首先使用下料机，按照设计的铺层角度与尺寸，精准切割碳纤维单向预浸料；在温度 20.7℃、湿度 38% 的恒温恒湿环境下完成铺层铺贴，过程中借助红外测温仪实时监测模具温度，同时利用真空袋与耐热胶进行多次冷抽排气，彻底排除层间的气泡，避免试件内部出现缺陷。
铺贴完成后，团队将构件送入热压罐，按照标准的固化工艺曲线完成高温高压固化，确保预浸料充分融合，得到性能稳定的试验件。
以 V 形结构件的固化变形为例，传统层合板的耦合项，会在热压罐固化的降温过程中，引入非常明显的工艺诱导翘曲，导致构件成型后需要大量的校形工作，甚至直接报废。
而双均衡铺层系列的构件，由于消除了面外的耦合效应，固化变形整体处于极低的水平，从根源上降低了工艺控制的难度，也减少了后续的校形成本。
为了测试铺层的力学性能，研究团队搭建了三点弯曲测试平台：首先用水平仪校准支撑支架的水平度，避免测试过程中出现偏载；随后使用万能试验机，以 1mm/min 的加载速度对试件进行弯曲测试，精准获取构件的刚度、强度等关键参数。
测试结果印证了团队的理论预测：传统层合板的弯曲刚度，受耦合项的影响，会随着厚度的变化出现明显的波动，也就是所谓的 “厚度效应”，这也是传统变厚度设计难度大的核心原因。
但双均衡层合板系列的弯曲性能，对厚度变化完全不敏感！这意味着工程师可以像设计金属结构一样，直接对复材结构做变厚度设计，不需要再反复调整铺层顺序来抵消耦合效应，大大简化了设计流程。
基于这一特性，团队开展了变厚度轻量化设计的验证：以受弯梁结构为例，在保持结构总重量不变的前提下，基于双均衡铺层的变厚度设计，让结构的弯曲刚度直接提升了 26%，材料的利用效率大幅提高。
除此之外，变厚度连接结构的强度，相比等厚度的传统铺层，也提升了 13%，进一步证明了新方法的优势。
双均衡层合板具有较低的固化翘曲变形（图来源：中国科学院力学研究所）
这项研究为先进复合材料的高效设计，提供了全新的理论支撑与方法工具，不仅可以大幅降低复材结构的设计与制造复杂度，还能进一步挖掘复合材料的轻量化潜力，对新一代航空航天轻量化结构的开发，有着非常重要的实践价值。
目前，相关的研究成果已经陆续发表在《Composites Part A》《Thin-Walled Structures》《Composites Communications》《Composites Part C》等国际知名期刊上。该研究得到了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）等项目的支持。
