针对CFRP优化设计过程中由于设计变量较多导致收敛慢的问题,提出一种基于变量分层的协同优化设计方法。该方法中,将协同优化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结构优化设计,CFRP铺层角度作为材料层面的局部变量进行固有频率优化设计,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结构件宏细观协同优化设计。以汽车CFRP顶盖协同优化设计为算例,验证所提方法的可行性。优化结果表明汽车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%。与整体优化法相比,分层协同优化法的优化效率显著提高。