碳纤维复合材料（CFRP）的宏细观一体化设计是一种综合考虑结构优化与材料铺层优化来提高CFRP结构件性能的优化设计方法。针对CFRP一体化设计过程中由于设计变量较多导致收敛慢的问题,本文提出一种基于变量分层CFRP件结构/材料/功能一体化设计方法。该方法将一体化设计分为系统层面与子层面,子层面包括结构层面与材料层面,结构件的截面轮廓控制节点及其权因子作为结构层面的局部变量进行NURBS宏观结构优化设计,CFRP铺层角度作为材料层面的局部变量进行细观铺层优化设计,提取结构件总厚度作为系统层面的公共变量,通过子层面与系统层面设计变量的交互实现CFRP件结构/材料/功能一体化设计。论文主要研究内容如下:（1）以CFRP结构件质量最轻为设计目标,结构件的截面轮廓控制节点xi及其权因子ωi作为结构层面设计变量,使用APDL语言进行结构参数化建模与分析,采用Matlab编制优化主程序并调用APDL参数化建模与分析的txt结果文件实现汽车顶盖与风机导流罩的宏观结构优化设计。（2）以CFRP结构件的功能性最优为设计目标,CFRP铺层角度与铺层厚度作为材料层面设计变量。采用AGA对CFRP汽车顶盖与风机导流罩进行细观铺层优化设计。（3）分别采用整体优化法与分层协同优化法求解汽车CFRP顶盖优化算例,结果表明:汽车CFRP顶盖在满足强度与刚度性能的条件下,与汽车钢制顶盖相比,质量降幅为74.5%,固有频率增幅为125.5%,相比于整体优化法,分层优化法迭代次数减少42次。采用DOE中心复合试验方法验证汽车CFRP顶盖优化结果,得到试验点数据与对应的响应面结果、实验设计候选点、局部敏感度与Pareto最优解。（4）分别采用整体优化法与分层协同优化法求解风机CFRP导流罩优化算例。结果表明:风机CFRP导流罩在满足刚度性能的条件下,与风机钢制导流罩作对比,最大应力降幅为24%,汇流风量增幅为9.1%,相比于整体优化法,分层优化法迭代次数减少20次,轻量化效果显著提高。优化结果表明,在确保优化结果准确性的前提下,分层协同优化法的优化效率显著优于整体优化法。针对自由曲面CFRP件结构/材料/功能一体化设计,本文提出分层协同优化法进行一体化设计。研究结果可为自由曲面CFRP结构件的一体化设计提供理论指导,具有实际应用意义。