随着汽车产业的深入发展,我国的汽车保有量逐年增加,安全、能源和环保等领域面临着严峻挑战,而这些问题都与汽车轻量化都有着紧密的联系。碳纤维复合材料（carbon fiber composites,CFRP）具有“材料可设计性”的特性,能够根据汽车零部件的性能要求来设计微观组分材料和宏观结构参数,是汽车轻量化设计的首选材料。然而,考虑到目前有关基于结构可靠性的CFRP材料与结构一体化设计的研究才开展不久,相关的设计理论和方法都还处于研究中,离真正指导汽车零部件的生产还有一定的距离。因此,开展CFRP材料与结构一体化设计,对汽车轻量化设计具有很重要的实际应用价值。本文首先实现了CFRP弹性性能的预测,并对影响CFRP弹性性能的因素进行分析;其次,针对单向纤维复合材料开发了一套一体化设计方法,并将该方法应用于传动轴和车门的轻量化设计中;然后,对编织纤维材料车门的材料与结构一体化设计进行了系统性的研究;最后,考虑设计参数波动,开发了一套基于结构可靠性的CFRP一体化优化设计方法。本文研究内容如下:（1）CFRP弹性性能预测和参数分析。首先,介绍基于热应力法的均匀化理论推导过程。其次,采用该方法预测CFRP的弹性性能参数,并将计算结果与试验值进行对比,验证该方法在预测CFRP弹性性能中的有效性。最后,系统性研究了单胞的相关参数对复合材料弹性性能的影响。通过第二章的研究,为单向、编织纤维复合材料一体化优化设计提供理论和数据基础。（2）单向纤维复合材料汽车零部件一体化优化设计。首先,针对典型汽车零部件开发了一套通用的单向纤维复合材料材料与结构一体化优化设计方法。然后,将该方法用于单向纤维复合材料传动轴和车门的一体化设计之中,优化结果显示:采用本章开发的一体化设计方法设计得到的复合材料汽车零部件在满足性能要求的前提下,减重效果显著,实现了轻量化目的。（3）编织纤维复合材料车门一体化优化设计。为实现编织纤维复合材料多尺度优化设计,针对编织（平纹、斜纹和缎纹）纤维复合材料开发了一种通用的材料与结构一体化设计方法。首先,实现各尺度有限元模型的参数化建模和性能预测,完成微观-介观-宏观各尺度之间的性能参数传递。其次,构建CFRP车门一体化优化设计数学模型。最后,将本文开发的编织纤维复合材料一体化优化设计方法应用于复合材料车门轻量化设计中。优化结果表明:相比于原金属车门,平纹、斜纹和缎纹编织纤维复合材料车门质量降低明显,其中,平纹编织复合材料车门的轻量化效果最为显著。（4）基于结构可靠性的CFRP一体化优化设计方法。考虑CFRP在一体化优化设计过程中存在设计参数波动的情况,本章开发了一种通用的基于结构可靠性的碳纤维复合材料一体化优化设计方法。首先,确定微观结构特征尺寸的分布情况,采用多项式建立复合材料车门的响应面代理模型,并对代理模型进行精度检验。其次,基于MCS-MOPSO-RSM技术,对编织复合材料车门进行基于可靠性的一体化优化设计,结果表明:单胞特征尺寸的波动对确定性设计有很大的影响,在优化设计过程中,要充分考虑考虑参数的波动进行可靠性设计。