近年来,随着汽车节能减排标准的日趋严苛,传统金属材料已经不能够充分满足汽车轻量化的设计需求。从车身覆盖件到半结构件、结构件,高性能复合材料在汽车领域的应用逐渐广泛和深入,也给车身结构带来了更加广阔的设计空间。对于复合材料铺层结构设计而言,各铺层材料选择、铺层厚度、连接方式等都会对产品结构性能产生巨大影响。但是,现有的主要铺层设计方法仍然是建立在钢结构设计模型的基础之上,参考复合材料制造和构件性能约束进行设计,并不能充分发挥出复合材料零件在铺层设计、一体成型等方面具有的优势。多相离散设计是依据零件具体结构在局部区域的不同性能需求,得到更加理想的各向异性材料分布的优化设计方法。其中,现有离散设计方法中相邻设计子域间均采用理想化的连接形式;而试验表明,连接接头的不合理分布会对连接区域的力学性能产生巨大影响。本文针对这一考虑的不足之处,提出了一种交错拼接的铺层设计结构,尝试解决了相邻设计子域实现稳定连接的问题,同时希望能够借此得到相对更加可靠的优化设计结果。利用L形板优化设计模型和拼接接头刚度试验与仿真分析,分别证明了所提出的交错拼接铺层结构,在充分利用零件各区域对结构性能的不同需要和有效避免不合理连接形式对零件整体性能的负面影响这两个方面具有显著优势。本文中结合商业有限元分析和优化设计软件,建立了拼接铺层离散材料与厚度拓扑优化DMTO设计系统,有利于该优化设计方法的推广和进一步工程应用。在优化设计过程中,综合考虑零件性能设计指标、复合材料制造约束、接头区域连接方式、整数规划变量收敛性等多种因素对优化设计过程的影响,所得到优化设计结果具有良好的可实施性,有效降低了传统拓扑优化方法在优化后处理过程中对工程经验的依赖;利用半解析方法得到自变量的敏感性信息,采用基于梯度的算法提高了优化计算的效率。最后,以汽车后背门模型为例,通过台架试验与仿真对比,验证了优化设计模型的准确性。在DMTO设计系统中分别采用RAMP和SIMP材料插值模型进行了优化计算,均取得了比较理想的优化设计方案。对比分析结果表明,应用该铺层优化设计系统,使目标汽车后背门总成相较原始钢结构模型和传统复合材料铺层设计模型,零件重量分别降低59.5%和28.0%,在保证零件性能指标的基础之上,取得了比较理想的轻量化实施效果。