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随着电动汽车的发展,电动赛车比赛也成为一种发展越来越快的赛车运动。对于汽车工业来说,电动赛车比赛既是一场速度的竞争,更是一个技术验证的平台。为了发挥赛车的极限性能,赛车的设计者既需要做到尽可能的轻量化,也需要尽力赋予赛车优异的操纵特性。因此,本文以纯电力驱动的中低速电动赛车为研究对象,针对电动赛车的结构轻量化以及在行驶过程中的操纵动力学性能展开一系列研究,为进一步改进电动赛车设计提供必要的参考。为了保证在车身结构满足赛车的强度和刚度等要求的同时,整车质量也较轻,本文提出并设计了电动赛车碳纤维/铝蜂窝夹层板的单体壳车身结构形式。基于夹层板强度和刚度理论,建立了碳纤维/铝蜂窝夹层板的等效力学模型。利用碳纤维/铝蜂窝夹层板的结构强度和刚度试验验证其有限元模型建立方法。通过分析夹层板刚度试验、剥离试验等的结果,验证了本文提出的碳纤维/铝蜂窝夹层板强化方案的实用性。鉴于赛车车身质量对赛车加速性等动态性能的影响,本文针对电动赛车的单体壳车身进行优化。确定赛车车身扭转刚度的变化范围,以此作为优化设计的约束条件之一;以车身质量最小为优化目标,以扭转刚度、高速转弯车身变形、大攻角刹车车身变形、制动工况车身变形、直线加速车身变形作为优化的约束函数;以车身前、中、后部的碳纤维铺层厚度、铝蜂窝夹芯的厚度为优化变量对赛车车身进行基于近似模型的优化设计。优化时分别选用遗传算法、模拟退火算法寻优,并对比了两种优化算法的寻优精度。基于ANSYS软件,对优化后的单体壳车身进行了扭转刚度及模态仿真分析与试验验证。为探究外界环境对赛车操纵动力学特性的影响,本文研究了空气作用于赛车上的气动力和地面作用于轮胎的轮胎力。首先,设计了翼型气动特性分析所用的三分力杆式应变天平,通过风洞试验验证了基于计算流体力学分析翼型气动特性的有效性。以此为依据建立了整车流场仿真模型,仿真分析了车速、侧偏角对赛车气动特性的影响,对瞬态流场的六分力系数与侧偏角的关系进行了参数拟合。其次,在充分理解魔术公式轮胎模型结构和了解轮胎数据构成的基础之上,提出了适合于无量纲化魔术公式的简单、高效的拟合方法,即分阶段拟合;并给出了各工况的拟合效果图和部分工况魔术公式2002版本的拟合系数。最后,通过建立整车九自由度模型,分析了赛车瞬态的动力学性能。为了分析驾驶员操纵行为对赛车操纵动力学特性的影响,建立了任意路径下方向与速度综合控制驾驶员模型以及最速控制驾驶员模型。首先对驾驶员操纵行为进行机理分析,根据“预瞄-跟随器”理论及对预瞄点搜索算法的改进建立了适用于赛车的驾驶员方向控制模型;并采用前馈-PID反馈的方式建立了驾驶员纵向速度控制模型。然后,在驾驶员方向控制模型及驾驶员纵向速度控制模型的基础上,通过解除方向控制与速度控制之间的耦合,建立了任意路径下的方向与速度综合控制驾驶员模型。根据赛车的竞速特点,建立了最速控制驾驶员模型。最后,为了分析赛车在极限工况下的操纵动力学性能,建立了基于Simulink-CarSim的车手-赛车-路面的闭环仿真平台,并进行典型工况及复杂工况下的仿真分析,验证了改进的预瞄点搜索算法、综合控制驾驶员模型和最速控制驾驶员模型的有效性,为赛车设计与测试提供了良好的理论分析基础。为了验证前期研究结果对赛车操纵动力学性能的影响,完成了电动赛车的整车设计,并利用该实车进行了简单工况下的加速性、操纵稳定性试验。本文的研究为复合材料赛车车身及汽车的轻量化设计提供了新的思路,而面向整车操纵动力学性能的驾驶员与整车模型研究,为实现赛车的设计调校以及无人驾驶系统提供了理论基础。