随着能源短缺及环境污染问题的日益凸显,轻量化成为汽车发展的大势所趋,其研究热度也随着近年来新能源汽车浪潮在国际社会上的兴起而越来越高。钢板弹簧为悬架系统中的关键零部件,其作用为将车桥或车轮连接在车身上、衰减传递到车身的振动以及传递载荷和导向,重量占非簧载质量的10%~20%。复合材料板簧作为板簧的有效轻量化手段,不仅能在不损失承载能力的前提下替代钢板弹簧,而且其疲劳寿命、减振能力以及安全断裂性都显著高于钢板弹簧,装车后还能降低非簧载质量的动载荷,减轻车辆行驶过程中对路面的损伤,提升整车的经济性、动力性及安全性,市场前景广阔,近年来的研究热度也越来越高。目前国内外学者对复合材料板簧研究时多采用有限元计算或试验的方法,缺少对其各项性能指标深入的理论研究,导致了复合材料板簧特性预测耗时过长,进而为后续的迭代优化设计工作造成了困难,最终导致了在设计复合材料板簧时难以兼顾其各项性能指标,限制了复合材料板簧的设计开发水平。本文针对这一问题,从复合材料力学出发,建立复合材料板簧刚度、强度、模态等关键静动特性的参数化理论模型,并对阻尼特性进行深入的研究,进而采用遗传算法对其设计参数进行优化设计,形成了一套高效可靠的复合材料板簧设计开发方法,缩短了复合材料板簧的正向设计开发周期、提高了其正向设计开发的水平,具体研究工作包括以下几个方面:(1)复合材料板簧选型设计。在充分考虑复合材料板簧载荷工况的前提下,从成型工艺、材料选择、结构设计等方面出发对复合材料板簧的可靠性提升方法进行了研究,保证对原钢板弹簧可靠地“等效替代”。(2)关键静动态特性建模。建立了材料参数、铺层参数以及宏观结构参数与复合材料板簧刚度、强度、模态等关键静动态特性之间的参数化理论模型,通过了试验验证,并在此基础上分析了关键设计参数对静动态特性的灵敏度。与传统有限元方法相比,所建立的参数化理论模型在保证精度的同时极大地缩短了计算时间,有助于缩短复合材料板簧正向设计开发周期,并且为后续的优化工作提供了便利;基于Ni-Adams模型并结合试验对复合材料板簧的阻尼特性进行了研究,提出了复合材料板簧阻尼的研究方法,为复合材料板类零件的阻尼研究提供了参考。(3)复合材料板簧性能的全面优化。复合材料板簧可设计变量繁多,导致了其优化设计问题规模的庞大,进而导致优化问题求解时间的大幅增加。为了解决复合材料板簧静动态特性全面优化这一大规模性能优化的效率问题,本文在所建立的复合材料板簧静动态特性理论模型的基础上,采用遗传算法首先以强度、质量为优化目标,对复合材料板簧的铺层角度、铺层长度进行优化,寻找使得强度最高、质量最小的簧身构型;然后以刚度、强度、模态等关键静动态特性为优化目标,对簧身构型参数进行优化,并将构型参数映射到铺层参数上,从而大幅减少了优化变量的数量,提高了优化效率,最终建立了一种全面考虑各设计参数、兼顾各性能指标的复合材料板簧高效优化设计方法,并优化复合材料板簧的关键设计参数使其综合性能达到了最优。(4)复合材料板簧疲劳性能优化设计。首先基于复合材料疲劳失效规律,提出了复合材料板簧疲劳失效规律推论,并通过试验验证了推论的正确性;然后提出了包夹单元、铺层容度、容度子代以及阻隔距离等铺层结构的几个概念,基于遗传算法对复合材料板簧的铺层顺序进行了优化,大幅度地提高了复合材料板簧的疲劳寿命;基于复合材料接头疲劳失效规律,并结合复合材料板簧的特点对复合材料板簧的接头结构的疲劳性能进行了设计,通过了接头疲劳台架试验验证。(5)复合材料板簧装车试验验证。分析了换装复合材料板簧后整车性能可能发生的变化,并结合装车试验进行研究,结果表明在刚度相同的前提下,复合材料板簧装车后整车的操纵稳定性、平顺性变化不大,燃油经济性提升;对复合材料板簧的可靠性进行了道路试验验证,结果表明所设计的复合材料板簧性能优良,可满足装车可靠性要求。