随着世界汽车保有量的逐年增加，环境污染及能源短缺问题日益突出，各大汽车企业迫切需要研制生产出节能减排的汽车以适应未来汽车的发展。研究表明，汽车重量每降低10%，能源消耗将减少10%，尾气排放量降低5%~6%，因此，汽车轻量化是应对环境及能源问题的有效途径之一。但是，汽车轻量化不能以牺牲汽车安全性为代价，在轻量化设计过程中必须把安全性做为一项重要的指标。车身作为汽车的重要组成部分，对整车的轻量化起着举足轻重的作用，因此，在车身设计阶段为其设计合适的结构及材料并考虑其碰撞安全性，对于提高整车性能，缩短设计周期具有重要的意义。本文以汽车发动机罩为研究目标，对车身结构设计中的关键技术—多目标拓扑优化设计做了详细的介绍，通过提取发动机罩的弯曲、扭转刚度及模态特性，在静力加载工况下进行拓扑优化设计，得到其拓扑结构，并校核重构模型的刚度及模态特性；针对碰撞过程中发动机罩对行人头部的影响，以头部损伤值作为其安全性的评价指标，验证拓扑设计结构是否符合要求，对不满足要求的结构进行重新设计；针对发动机罩的设计余量，以发动机罩各部件的厚度为变量，以质量、模态及头部损伤值为响应，建立代理模型，求得最佳壁厚组合，使得设计的发动机罩兼顾轻量化及安全性的要求；最后探讨了采用铝合金材料的轻量化设计方法，创新性地提出材料拼接式的发动机罩内板。研究结果表明：多目标拓扑优化设计避免了单目标拓扑优化最优解不能满足实际工程需要的问题，能够得到合理的拓扑结构；概念设计阶段考虑到行人头部损伤问题，提高了发动机罩对行人头部的保护性能，缩短了设计周期；代理模型及NSGA-Ⅱ遗传算法的运用为发动机罩系统寻找到了最优解集，既满足了轻量化的要求又兼顾了刚度及安全性能；拼接式材料内板的设计很好地解决了铝合金内板造价高的问题。本文的研究为国内汽车企业开展轻量化设计工作提供了一定的参考，为解决环境能源及汽车安全性问题开辟了一条新的思路。