随着FSAE赛事（Formula SAE）即大学生方程式汽车大赛的迅速发展,赛车的行驶速度逐年提升,赛车空气动力学作为主要的研究内容受到国外内车队的广泛关注。对于赛车而言,气动装置上的气动力通过车身与悬架的传递最终作用在轮胎上,当车轮受到气动装置产生的竖直载荷后,车轮的极限附着能力得到提升,此时在其他参数不变的情况下,赛车车轮能够承受更大的侧向力和切向力作用,由此可知空气动力学产生的作用效果对操纵稳定性有较为显著的影响。考虑到联合仿真所需要的大量基础数据和计算资源,目前国内外很少有学校在仿真设计阶段考虑气动特性和操纵稳定性的相互作用,但是这种相互作用又时时刻刻发生在赛车上,所以赛车空气动力学和系统动力学联合研究就变得尤为重要。本文以吉林大学2019年参加国内赛事的FSAE赛车为研究对象,采用STAR-CCM+、Car Sim软件,将赛车风洞试验、赛车简化模型空气动力学数值模拟、赛车系统动力学仿真结合起来,建立了FSAE赛车空气动力学闭环设计流程,进行了非稳定风下赛车气动特性和操纵稳定性的联合研究,同时对FSAE赛车气动参数进行优化。文章主要内容可分为以下几个部分:第一,基于FSAE赛车实车风洞试验数据,通过筛选湍流模型、优化边界层网格对赛车整车外流场仿真策略进行改进,改进后的仿真策略仿真值和试验值误差约为6%,为后文不同工况下赛车外流场仿真奠定基础;第二,基于FSAE赛车实际工况,对有无侧风作用两类工况进行仿真,通过研究不同工况下赛车的气动特性,分析各工况气动特性差异的原因,探究各气动装置对整车气动特性的影响,得到各工况赛车的气动参数,为动力学仿真提供数据支持;第三,基于气动仿真数据和赛车总成特性参数,通过Car Sim搭建赛车空气动力学和整车动力学联合仿真模型,根据赛事动态项目,对赛车进行稳态回转仿真、蛇行试验仿真,结合国标QC/T 480-1999对仿真数据进行评价。综合考虑非稳定风作用的影响,对蛇形试验仿真进行了有无侧风作用下的赛车稳定性对比分析,侧风速度大小、侧风作用时间、不连续侧风和侧风方向改变对赛车操纵稳定性的影响分析,通过赛车空气动力学和赛车系统动力学的联合仿真研究,实现了非稳定风作用对FSAE赛车操纵稳定性影响的综合预测;第四,总结分析赛车在空气动力学和系统动力学联合仿真中存在的车身姿态变化时赛车气动参数波动较大的问题,对FSAE赛车俯仰工况整车气动参数进行优化设计,通过八字环绕仿真、稳态回转仿真、蛇行试验仿真对优化后的方案进行验证。分析风压中心参考点和气动力分配之间的关系,将整车气动力分配至赛车前后轴,得到气动参数优化后赛车前后轴气动力分配比例,为之后赛车空气动力学设计提供指导建议。综上所述,本文结合赛车风洞试验、赛车简化模型空气动力学数值模拟、赛车系统动力学仿真,对非稳定风下赛车气动特性和操纵稳定性进行联合仿真研究,分析赛车气动特性对整车操纵稳定性的影响,以闭环设计为目的对FSAE赛车气动参数进行优化。结果表明气动参数优化后,赛车过弯临界速度升高,赛车操纵性得到提升,八字环绕测试时间减少0.525s,15m/s风速下赛车气动阻力减少2.91%,下压力提升10.48%,俯仰力矩减少82.34%,升阻比提升了14.70%,前后轴负升力分配由36.8:63.2变为43.7:56.3,赛车的升阻特性、气动效率提升效果明显,赛车的空气动力学性能、综合性能得到较大提升。