环境问题日益严重,促使整个社会都要做好节能减排、保护环境的工作。汽车作为现代工业文明的代表,社会影响巨大。因此做好汽车的节能设计、绿色设计、轻量化设计,提升汽车的环境友好度,可有效地促进社会的可持续发展。碳纤维复合材料(CFRP)近些年来在汽车工业中暂露头角,因其密度低、力学性能优异,成为汽车轻量化材料中的佼佼者。发动机罩作为汽车车身中重要部件之一,因其结构较为简单,而其受力工况、功能特点、加工工艺等又具有广泛的代表性,常作为研究时的首选对象。本文采用碳纤维复合材料对发动机罩进行轻量化设计,主要开展了以下研究工作：(1)采用生命周期评价的方法对汽车的环境属性进行评价。通过研究汽车产品全生命周期内各阶段的能耗情况、排放情况,确定汽车产品对环境的影响。分析结果表明复合材料汽车对环境的影响更小。(2)介绍了复合材料相关的力学理论基础,包括复合材料单层板的力学基础和层合板的力学基础,为后续复合材料发动机罩的设计、优化、验证提供理论基础。(3)根据复合材料的力学特性和发动机罩的结构特点,按照等刚度原则,设计出碳纤维复合材料发动机罩并进行分析。在设计之前,确定发动机罩的受力工况,并采用有限元方法分析原发动机罩,确定发动机罩各项性能参数。这些参数可作为后续优化设计中的设计约束。对比分析结果可以发现,复合材料发动机罩在与原钢制发动机罩等刚度的情况下,可大幅减轻其重量。(4)采用传统的优化设计技术：尺寸优化和拓扑优化对复合材料发动机罩进行优化设计并分析其优势与不足。然后根据复合材料的特点,提出了新型的复合材料优化设计技术,即集成自由尺寸优化,尺寸优化和铺层次序优化,并采用这种新型优化方法,对复合材料发动机罩进行优化设计。结果表明,通过优化设计可进一步的减轻发动机罩的重量,并保持其刚度不降低。(5)按照GB/T 24550中的规定,完成行人头部冲击器与原发动机罩以及复合材料发动机罩的碰撞仿真。通过头部伤害指标HIC值对发动机罩的行人保护性能进行评价。结果表明,无论是原钢制发动机罩还是复合材料发动机罩,均满足标准的要求。本文的研究结果表明,碳纤维复合材料作为钢铁的替代材料应用于汽车工业,可有效的满足汽车产品节能设计、绿色设计和轻量化设计的要求。本文采用的复合材料发动机罩的设计及优化方法也可以应用于其他复合材料结构的设计,具有极大的参考价值,同时为研究复合材料在汽车中的应用积攒了重要经验。