碳纤维复合材料相比传统金属材料，具有密度小、比强度高、比模量高、良好的抗疲劳特性和抗震性能等，并且具有良好的可设计性，在航空领域中应用越来越广泛。碳纤维复合材料具有材料和工艺的可设计性，不同的铺层角度和不同的铺层顺序，其力学性能完全不一样。当结构各位置受力差异较大时，在复合材料层合板的不同位置改变局部的铺层层数和铺层顺序就显得尤为重要。《产品浏览：碳纤维电磁屏蔽无人机机臂（图）》

　　为了能充分利用碳纤维复合材料的性能，本文采用非均匀铺层优化设计方法对无人机机架进行铺层优化设计。自由尺寸优化前先将铺层设置为0°、90°和±45的4个铺层，每个铺层厚度为2mm。

　　自由尺寸优化模型描述如下：1）设计变量：每个单元的每一纤维方向铺层厚度。2)无人机机身质量最小。3)约束条件：①模型最大位移小于3mm；②铺层相对层合板的几何中心面对称；③±45铺层厚度分布相同；④每个纤维方向铺层的最小比例大于10%；⑤每个纤维方向铺层厚度分布左右、前后对称。

　　铺层顺序优化阶段主要是在保证工艺性能的基础下提高力学性能。 铺层顺序优化模型描述如下。1）设计变量：所有铺层的顺序。2）目标函数：无人机机身质量最小。3）约束条件：①尺寸优化的约束；②具有同一纤维方向铺层的层数为3；③外表面铺层的纤维方向为±45°。经过计算后，得到最终的机身铺层优化设计方案如下。

　　优化后的机架总质量为0.987kg；最大位移为2.923mm，小于约束的3mm；最大为0.085，小于1，材料处于塑性阶段。若采用均匀铺层设计，其总质量为1.974kg、最大位移为2.829mm、最大为0.089。在满足力学性能和工艺性能要求下，采用非均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案比采用均匀铺层优化设计方法设计的铺层方案轻了0.987kg，减重率高达50%。

　　碳纤维复合材料六旋翼无人机机架非均匀铺层优化设计通过采用自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化3个阶段的优化后，在满足刚度、强度和工艺性能要求的前提下，无人机机架重量比均匀铺层优化设计方案减少了50%，轻量化效果明显，证明此非均匀铺层优化设计方法对基于铺层的复合材料复杂结构铺层优化设计是有效的。