随着信息化、自动化及以工业机器人技术为核心的智能制造领域的迅速崛起,各机械设备制造厂商正在大规模进行产线升级与改造,许多大型工装设备被投入使用,然而由于其自身质量较大,致使企业不得不采用大功率、大负载的工业机器人与之配套使用,最终带来产线规模庞大,能源消耗和装备成本高等亟待解决的问题,并且间接影响了生态环境。因此,如何利用比强度和比模量较高的复合材料代替传统金属材料对自动化生产设备进行轻量化设计与研究,成为了国内外研究学者的共同关注点。本文以汽车自动化生产线所使用的大型框架式夹具为研究对象,以复合材料层合板力学性能为基础,提出采用长玻璃纤维增强热塑性复合材料(后文简称复合材料)代替传统金属材料对主体框架结构进行轻量化设计与研究。首先对原金属框架结构进行力学性能分析,得到其应力、应变、模态等相关性能参数,为后文框架结构的轻量化设计与优化提供性能对比参数;其次结合金属框架的结构特点和受力特点,充分考虑复合材料的结构/材料耦合影响,严格按照设计要求,采用复合材料对框架结构进行轻量化设计,并以HyperWorks软件作为有限元分析和优化工具,从宏观层面的概念尺寸优化和微观层面的铺层厚度优化及铺层顺序优化三个层级对复合材料框架结构进行多级优化,最终得到力学性能好、质量轻的复合材料框架结构。通过与原金属框架结构的性能进行对比,在保证结构强度和刚度的基础上,实现了框架式夹具的轻量化设计目标。最后对轻量化后的框架式夹具进行工业机器人匹配选型,结果显示,工业机器人的负载型号得到了优化,降低了企业的生产成本投入,延长了生产线设备的使用寿命和维护周期。