近年来,帆船由于其节能和无污染排放的优点使其在航运业具有独特价值,尤其应用于海洋数据采集及环境监测方面,帆船运动的蓬勃发展也受到人们广泛关注。对于帆船而言,由于其依赖风能作为动力的特性,操纵难度较高。因此,对帆船运动性能和操控问题进行研究,具有重要的理论意义和实际价值。本文基于计算流体力学理论对帆船的气动力性能进行数值分析,结合帆船操纵运动数学模型,计算帆船的操纵可控区并提出帆舵联合策略,此外设计虚拟仿真系统对帆船进行三维虚拟运动仿真。首先,针对帆船船体与帆翼之间存在空气动力性能相互影响的问题,对帆船的整体空气动力性能进行了数值模拟和分析,通过对比验证了帆翼和船体两者的气动力之间存在着较强的非线性干扰。在不同相对风向下,根据帆船空气动力随攻角的变化曲线,得到帆船整体的最大推力系数,最终生成不同相对风向角下的最佳操帆规则。建立帆船整体空气动力数据库,基于帆船气动力随帆攻角的变化曲线,拟合成函数关系。其次,将帆船分为船舵、水线以下部分船体、龙骨和风帆及水线以上部分船体四部分,分别对各部分进行受力分析和建模,代入对帆船气动力数值计算得到的函数,建立考虑海浪扰动的四自由度帆船操纵运动数学模型。基于数学模型进行运动仿真,分析帆、舵操纵对帆船运动状态的影响。然后,针对不同风力作用下的帆船安全航行问题,考虑帆船水线上的气动力和力矩与水线下水动力和力矩的平衡作用,计算帆船在不同舵角下操纵不同帆攻角时的风速限界线,获得不同帆攻角下帆船的操纵可控区,根据计算结果提出合理的帆舵操纵建议,增强帆船的抗风能力。进一步,在操纵可控区内,以帆船最小调节时间和最大航行速度为目标,利用PID自动舵进行帆船直航运动控制仿真,通过比较不同帆攻角下的仿真结果计算得到整个真实风向范围内最优帆舵联合操纵策略。最后,为了更好地表现帆船运动的真实感和实时性,设计帆船虚拟仿真系统。利用3ds Max三维软件建立与实际帆船相似度高的模型,通过Unity 3D引擎建立虚拟现实海洋场景,完成模型导入,实现帆船的虚拟运动。通过对虚拟系统进行各部分功能进行测试,测试结果表明所设计仿真系统达到了设计要求。