轻量化是未来汽车发展的主要方向，碳纤维复合材料是最具潜力的轻量化材料。近几年来，复合材料越来越多的被应用在汽车零部件结构的设计中。复合材料在汽车零部件结构设计中的应用已经形成了由覆盖件到承力构件、薄壁结构件到实体构件的发展趋势。而基于铺层的长纤维复合材料目前还主要应用在薄壁结构件的设计中。本文主要采用这种基于铺层的长碳纤维复合材料，针对汽车上的壳体构件以及薄壁形式的承载构件进行复合材料结构的轻量化设计研究。基于铺层的长碳纤维复合材料的壳体结构件和承载结构件在轻量化设计中要解决的主要问题为复合材料结构的几何形状设计、复合材料的最佳铺层角度设计、铺层厚度设计以及铺层顺序设计问题。为了解决上述问题，本文以复合材料层合板力学结合有限元数值分析和结构优化设计作为研究的理论基础，以商业应用软件OptiStruct作为研究工具，以承受典型均布载荷的薄壁包装箱和多工况集中载荷的汽车悬架摆臂作为碳纤维复合材料结构设计研究的对象，针对上述问题提出了多阶段的优化设计方法。碳纤维复合材料特种包装箱的多阶段优化设计方法主要包括形貌优化、尺寸优化和铺层优化。结合包装箱结构设计的技术指标要求，在箱体的概念设计阶段，通过形貌优化获得了满足箱体刚度的加筋结构；针对基于铺层的碳纤维复合材料的可设计性能，在箱体的细节设计阶段，通过尺寸优化和铺层优化分别获得了复合材料各个铺层角度的最佳铺层厚度尺寸和复合材料箱体的最佳铺层方式。最终，通过有限元数值分析验算，箱体的结构设计结果满足设计要求；碳纤维复合材料汽车悬架摆臂的多阶段优化设计方法主要包括拓扑优化、铺层角度优化和铺层厚度优化。碳纤维复合材料汽车悬架摆臂结构的优化设计在拓扑优化后获得的悬架摆臂结构的基础上，研究了该结构最优的铺层角度参数和最佳的铺层厚度参数。通过研究表明，结构优化技术能够获得可用的复合材料几何结构；复合材料的铺层角度一般选择0°、土45°和90°；复合材料结构在总的铺层厚度一定的情况下，随着单层的铺层厚度值的减小，结构的刚度会增大；一般在采用对称铺层的铺层顺序下，结构的刚度最大；与原始结构相比，采用碳纤维复合材料设计的结构所占的空间体积小，减重效果明显。