自1953年世界第1台纤维增强复合材料汽车——GMCorvette制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱，其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011年，法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车；2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。2015年7月1日，全新第六代BMW7系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。
复合材料有着比强度高，比刚度大，成型工艺性好及可设计性等优良性能，是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。复合材料比较活跃的应用于汽车领域，可用作汽车车身、驱动轴、保险杠、底盘等上百个部件，研究复合材料在汽车领域前景广泛，意义重大。
2金属结构的性能分析
2.1金属结构刚度分析
以等刚度原则对CFRP进行铺层厚度优化设计，需要对车身钣金加强件进行刚度分析，得出刚度性能指标，为复合材料铺层厚度优化提供性能指标输入。车身钣金加强件模型如图1所示，其材料为HC340LAD+Z，材料参数为：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比NU=0.3，密度RHO=7.8×10-3g/mm3，钣金厚度为1mm，结构总质量为8kg。
图1车身钣金加强件结构模型
分析原车身钣金加强件的自由模态、轴向压缩、轴向拉伸、侧向弯曲、垂向弯曲、扭转工况，对该金属结构的刚度特性进行初步判断，分析结果如表1所示，刚度分析结果将作为复合材料铺层厚度优化的约束条件。
表1车身钣金加强件刚度分析结果
2.2金属结构三点弯强度分析
根据该钣金加强件的受力特征，需要对此结构进行三点弯强度分析。应用某动力学软件对该金属结构进行3点弯曲低速冲击分析，以刚性圆柱作为压头，施加-Z向的强制位移100mm，设置金属材料的失效应变为0.22。金属结构的位移云图2所示，由于金属结构具有良好的延展性，金属加强板腹板向两边滑动，加载位置的整个顶面完全塌陷。
图2金属加强板位移云图
刚性圆柱在下压过程中的载荷曲线如图3所示，该作用力反应了金属结构的抗弯能力，最大弯曲载荷为5200N。
图3金属加强板载荷曲线
3复合材料铺层优化
3.1材料种类和型号
碳纤维布选择12K东丽T700单向布，树脂选用亨斯曼环氧树脂，如表2所示。
表2材料种类
3.2优化问题的理论分析
OptiStruct采用局部逼近的方法来求解优化问题。
局部近似法求解优化问题步骤如下：
1）采用有限元法分析相应物理问题；
2）收敛判断；
3）设计灵敏度分析；
4）利用灵敏度信息得到近似模型，并求解近似优化问题；
5）返回第一步。
这种方法用于每迭代步设计变量变化很小的情况，得到的结果为局部最小值。设计变量的最大变化一般发生在最初的迭代步中，此时没有必要进行太多的近似分析。
在结构优化设计计算中，设计变量结构响应的灵敏度分析是从简单的设计变化到数学优化过程中最为重要的一部分。当相邻两次迭代结果满足收敛准则时，即达到规则收敛，意味着相邻两次迭代目标函数值的变化小于目标容差，并且约束条件违反率小于1%。设计变量更新采用近似优化模型的方法求解，近似模型利用灵敏度信息建立。
对于有限元方程：[K]{U}={P}，其中[K]是刚度矩阵，{U}是单元节点位移向量，{P}是单元节点载荷向量。两边对设计变量X求偏导数:
一般，结构响应（如约束函数g）可以描述为位移向量U的函数：
3.3层合板铺层尺寸优化
复合材料的铺层优化主要是对各个铺层角度的厚度进行优化，这个可以得到各个角度的铺层比，以及层合板的总厚度，可以为铺层设计提供输入。为达到更好的减重效果,优化采用分区域不等厚方式，复合材料层合板分为上缘条、腹板、下缘条三个区域，如图4所示。在复合材料的铺层优化中，利用OptiStruct软件进行优化求解，初始铺层定义为[0,45,-45,90]S，以X向为0度铺设方向，单层初始厚度为1.0mm，以单层厚度为优化变量，质量最小为优化目标，以金属结构静力工况条件下的各个位移量为约束条件。