当汽车行驶速度达到60km/h及以上时,气动阻力成为汽车行驶阻力的主要来源,气动阻力的能耗高达整车能耗的50%以上,故降低汽车气动阻力被认为是促进节能环保汽车发展的重要途径。在汽车外型减阻优化设计遇到瓶颈时,占比汽车气动阻力高达30%的车轮成为突破节能、环保、低风阻汽车发展的重点。本文以乘用车轮胎185/65R14为研究对象,通过对其进行有限元分析获得轮胎受载变形特征,然后采用3D打印技术重现受载轮胎变形特征,进而采用风洞试验方法测试轮胎气动特性。在此基础上,提取受载变形后的轮胎轮廓作为研究对象,建立轮胎虚拟风洞模型,对比分析了SST k-ω、LES和DES三种湍流模型对轮胎气动特性数值分析的预测精度,结果表明不同湍流模型对轮胎流场形态有显著影响,DES模型与试验结果的轮胎表面压力系数最接近。花纹的不同会直接影响车轮区域气流流动特性,致使轮胎周围涡系结构发生显著变化。通过对比垂直花纹、轴对称花纹和点对称花纹对轮胎气动特性的影响,发现轮胎横向花纹沟角度布置对轮胎气动特性有显著影响。通过分析接地区花纹沟内的流场特性,发现改善流体在花纹沟内部流动的平稳性可以减小尾涡,从而降低气动阻力。对比分析了静止和旋转工况下的轮胎流场及涡系结构的差异,探究了轮胎外轮廓形状对轮胎气动阻力和流场形态的影响,得到了轮胎外轮廓不同区域对气动阻力的贡献度。结合轮胎气动特性和流场特性分析,以改善流体流动的平稳性为设计思路,选取轮胎外轮廓上胎侧高H,胎面弧度半径R₁和R₂,胎面宽L₂,胎肩过渡圆弧半径R等5个参数为设计变量,综合运用最优拉丁超立方设计、Kriging近似模型和自适应模拟退火优化算法对轮胎外轮廓结构进行了优化设计,并基于虚拟风洞模型对比分析轮胎优化前后的轮胎流场和汽车气动阻力变化,结果表明:优化后的轮胎外轮廓可有效改善车轮尾部流场结构,降低流动分离,从而改善车轮区域及汽车尾部流场结构,降低车轮气动阻力,提升汽车气动性能。