近年来,人们越发看重节能环保,而且随着我国居民汽车保有量的不断提升,国家也出台了一系列政策来对汽车能耗与排放提出了更高的要求。轻量化设计能够有效地实现满足汽车性能要求的同时减少能耗与排放,在实现汽车轻量化的途径中,材料替换是十分有效的方式。钢板弹簧的重量占商用汽车非簧载质量的10%-20%,使用复合材料来将其全部或部分进行替换,一般能够实现至少50%的减重,同时可以进一步改善汽车的行驶性能、减少燃油消耗。此外,在疲劳寿命方面,复合材料板弹簧一般至少可以达到钢板弹簧的两倍,其耐腐蚀性能好,而且还具有断裂安全性。因此,复合材料板弹簧的设计和应用是汽车轻量化的重要发展方向。本文将以复合材料来替代钢材,对复合材料板簧的匹配设计以及关键性能进行研究,并结合理论仿真与台架试验,验证复合材料板弹簧总成结构的主要性能。具体研究内容如下:首先,结合目标车辆及钢板弹簧的技术参数确定复合材料板弹簧主要的结构与性能参数。综合分析国内外相关研究成果并结合实际情况,设计出带有钢板片结构的复合材料板弹簧总成结构方案,即包括钢板片簧、复合材料片簧、其他连接件的总成方案。选择复合材料板弹簧的制造材料并试制复合材料层合板以获取材料的性能参数,为后文的匹配优化与仿真计算打下基础。然后,根据相关力学理论,建立复合材料板弹簧的刚度理论计算模型,在此基础上,基于Tsai-Wu张量准则建立了复合材料板弹簧的强度理论计算模型。以刚度、强度和质量参数为目标并采用遗传算法建立了复合材料片簧的多目标优化模型,依据优化顺序赋予各子目标相应的权重系数,从而获得满足目标性能要求的最优铺层方案,为后续仿真优化和复合材料片的试制装配提供了参数基础。其次,选择有限元分析软件Hyper Mesh和ABAQUS,建立复合材料板弹簧总成结构的有限元模型,完成刚度以及各极限工况下强度的仿真计算。结果表明复合材料板弹簧总成以及各片簧的刚度值均处于合理设计范围内,各种极限行驶工况下总成及片簧的强度均满足性能要求。与前文建立的理论模型的计算结果进行对比,计算误差较小,也验证了理论计算模型的正确性。最后,分析各个复合材料成型工艺的优缺点,结合现有的技术条件,选择模压工艺完成复合材料板簧总成结构中复合材料片的试制并进行总成结构的装配。搭建试验台架,进行复合材料板弹簧总成的静刚度及静强度台架试验并对试验数据进行分析。结果表明,复合材料板弹簧总成刚度与强度均满足设计要求也表明理论模型计算和仿真计算均能比较准确的预测并获得板弹簧的性能。分析复合材料片簧的疲劳破坏机理,基于包夹铺层单元的思想对原铺层顺序进行改进优化,优化后复合材料板弹簧总成承受20万次循环载荷后各部件均未发生破坏,且复合材料片表面未出现分层现象,表明本文疲劳优化方法的正确性和有效性。