随着世界各国对海洋资源和海洋战略地位重要性的认识,海洋监测技术得到了快速的发展,同时,风帆技术以绿色环保等优点受到了航运界的青睐,因此,利用无人帆船开展海洋立体综合监测成为了当下科学研究的热点之一。为了提高无人帆船的航行性能,本文借鉴机翼设计理论对帆船的风帆进行改进,提出一款带有尾翼的刚性翼帆并进行优化设计。首先,通过比较柔性帆与刚性帆和对称截面翼型与非对称截面翼型的性能,确定了主帆翼型为NACA 0021,尾翼翼型为NACA 0018的对称刚性帆,以提高帆船的气动性能;同时,采用尾翼控制主帆与空气来流的攻角,降低了无人帆船的自动控帆难度与功耗,并对翼帆的受力情况做了分析,从理论上证明了设计的正确性。通过测试试验船,得出需要对翼帆的流体和结构性能做进一步分析优化的结论。然后,基于CFD技术运用Fluent软件分析翼帆设计参数对主帆气动性能的影响规律,经分析得出:展弦比越大越有利于提高主帆的气动性能和推力性能;尾翼左右位置对主帆升力产生较小影响;改变尾翼的上下位置不会影响主帆升力的大小;当主帆锥度比为0.6时,主帆具有最佳的气动性能与推力性能。根据仿真结果并基于最大推力系数原则,优选翼帆的设计参数,确定了翼帆的外形尺寸。其次,为了优化主帆内部结构和实现轻量化设计,将Fluent软件计算得到的气动载荷施加到主帆表面,结合ANSYS Workbench软件提出了拓扑-尺寸联合分级优化的方法,通过拓扑优化,建立了薄蒙皮、“工”字形翼梁和桁架式肋板的主帆结构模型。利用响应面分析法,分析各个尺寸参数对主帆结构性能和质量的影响规律,并确定蒙皮厚度和翼梁宽度两个尺寸参数对主帆结构性能和质量影响较大。通过对主帆结构进行尺寸优化,最终确定蒙皮厚度为2.8mm,翼梁厚度为3mm,翼梁宽度为21mm,肋板厚度为3.2mm。优化后的主帆满足结构设计要求,质量减轻了38.68%。最后,依照优化结果,建造碳纤维复合材料无人帆船进行航行测试,测试结果较理想,该研究对于使用小型无人帆船探索海洋具有较大应用价值。