弹簧是一种具有缓冲、减振、储能功能的机械零件,被广泛地应用于汽车、航空航天以及铁路车辆等诸多领域。近年来,汽车行业着眼于节能、减排,迫切要求汽车朝轻量化和高性能的方向发展。本文以T-700 SC碳纤维为增强体、AG-80/328树脂为基体,结合树脂传递模塑法、手糊法以及纤维缠绕法三种成型工艺制备碳纤维复合材料螺旋弹簧,并设计了复合材料螺旋弹簧中碳纤维的最佳排布。与此同时,研究了树脂基体较优的配方、较优的后处理工艺对碳纤维复合材料弹簧性能的影响。此外,基于ANSYS对碳纤维复合材料螺旋弹簧进行了有限元分析,为制备碳纤维复合材料螺旋弹簧提供理论上参考。制备了AG-80/328/F-44单一树脂基体的碳纤维复合材料,并制备了AG-80/328不同配比树脂基体的碳纤维复合材料。研究表明:AG-80/328/F-44树脂基体的碳纤维复合材料刚性较差,韧性较好;当AG-80:328为1:1时,碳纤维复合材料刚性和韧性均为较佳,其拉伸强度、冲击强度、压缩强度及弯曲强度值分别为825.6MPa、79.22kJ/m~2、110.89MPa和1089MPa;其断裂面形貌相对较佳,CF与EP界面基本上无分层现象,而且断口形貌显示为韧性。研究了后处理工艺对碳纤维复合材料性能的影响,研究表明:合适的后处理温度对常温固化剂碳纤维复合材料的力学性能具有优化作用;其拉伸性能与断裂形貌均反映适当的后处理工艺能够优化碳纤维复合材料性能。设计了碳纤维复合材料螺旋弹簧的预制体结构,主要制备不同排列方式碳纤维的复合材料螺旋弹簧,并确定了碳纤维复合材料螺旋弹簧的基本结构参数为:Ho=125mm,d=9.5mm,D2=75mm,n1=5.5圈,p=20mm。研究了不同的碳纤维排布方式对碳纤维复合材料螺旋弹簧刚度性能的影响,制备了芯轴碳纤维不同加捻捻度(0圈/米、25圈/米、35圈/米、45圈/米、50圈/米、55圈/米及60圈/米),外层包覆不同层数碳纤维(0层、1层、2层、3层、4层、5层及6层)以及外层缠绕不同角度碳纤维(0~o、±30~o、±45~o、±60~o及±90~o)的碳纤维复合材料螺旋弹簧。结果表明:当碳纤维芯轴捻度为45圈/米时,即AA=45圈/米,碳纤维复合材料螺旋弹簧的刚度系数为8.55N/mm;当碳纤维包覆层数为5层时,即BB=5层,碳纤维复合材料螺旋弹簧的刚度系数为8.67N/mm;当碳纤维缠绕角度为±45~o时,即CC=±45~o,碳纤维复合材料螺旋弹簧的刚度系数为8.59N/mm。并用扫描电镜表征了不同碳纤维排布方式的碳纤维复合材料螺旋弹簧截面,当碳纤维芯轴旋转为45圈/米、碳纤维缠绕层数为5层及碳纤维缠绕角度为±45~o。与设计的碳纤维复合材料螺旋弹簧性能一致。比较了相同参数的金属材料螺旋弹簧与碳纤维复合材料螺旋弹簧的物理特性、力学性能及成本。结果表明:碳纤维复合材料螺旋弹簧的重量为金属材料螺旋弹簧重量的1/8倍,碳纤维复合材料螺旋弹簧刚度系数为金属材料螺旋弹簧刚度系数的1/2倍,碳纤维复合材料螺旋弹簧载荷-变形量为金属材料螺旋弹簧载荷-变形量的1/4倍,但碳纤维复合材料螺旋弹簧的成本为金属材料螺旋弹簧的成本的200倍。通过ANSYS建立了碳纤维复合材料螺旋弹簧有限元模型,得到较优化的碳纤维复合材料螺旋弹簧有限元模型。对其网格划分后,分别得到碳纤维复合材料螺旋弹簧的最大剪切应力、最小切应力及总变形量为939.07MPa、939.85MPa及204.74mm;同时,得到碳纤维复合材料螺旋弹簧的剪切应力云图、总变形量云图及压并高度云图。