随着直升机的广泛应用,直升机的海上飞行任务也越来越多,因此增加了水上迫降这类事故发生的概率。21世纪以来,水上迫降和海上坠机事故逐年增加,直升机水上迫降仿真分析与试验研究已经成为一个极其重要的课题。国外和国内的航空管理部门已将水上迫降的安全性规章作为取得飞行器适航证的主要内容之一。为了保证直升机在海上执行任务时遇到紧急情况能够成功迫降,有必要研究直升机水上迫降过程中的姿态角变化规律、着水冲击加速度变化规律以及机腹压力分布规律等。直升机着水过程,是直升机与水之间的流固耦合作用,其涉及高度非线性的动力学行为。如果是带应急缓冲气囊的直升机,其还涉及到气、液、固三态的流固耦合复杂问题,其难度非常大。由于直升机水上迫降试验耗资巨大,因此采用仿真模拟方法对直升机水上迫降进行模拟分析是比较经济的方法。本文使用SPH法(光滑粒子动力学方法)研究了直升机水上迫降性能,建立了一套水上迫降计算分析方法,对直升机近海飞行的水上迫降提供一些理论指导和技术支持。本文的主要内容包括:(1)详细介绍了SPH法的基本原理,推导了SPH法离散形式的流体力学方程,并且采用了一种使用虚拟粒子补充流体粒子支持域边界截断区的处理方法,该方法可以有效地模拟任意复杂形状的边界条件。提出了一种邻近粒子搜索和粒子重新排序的算法,该方法结合了Verlet-list/Cell-list的方法和Morton Key/Z-curve order的方法,可以极大提高SPH法的计算效率,缩短计算时间。采用核函数正则化修正和密度重构的方法,该方法可以有效提高软件的鲁棒性。(2)自主开发了基于SPH方法的水上迫降数值仿真分析软件。编写了软件的核心程序模块,详细设计了程序的数据流程,编写了易用的用户使用界面。开发了一个数值造波模块,弥补了商用软件在造波方面的局限性,实现了设置造波区域法。该方法可以直接给定波高波长及水域内的速度场和压力场,不需要等待波发展到稳定状态,其初始状态就是一个稳定的状态,因此可以极大地减少计算时间,大大提高软件在造波方面的效率。(3)应用开发的仿真分析软件研究了直升机的水上迫降问题,对直升机不同迫降俯仰角、不同重心位置及转动惯量、不同水域波浪情况及同一水面波浪情况不同直升机着水位置等工况进行求解,并对直升机水上迫降结果进行了研究分析,探讨了这些初始条件对直升机水上迫降动力学响应的影响。对比了仿真与试验结果,得出数值仿真计算得到的加速度峰值与试验结果基本一致,偏差较小,证明该软件是有效的,所用的理论方法是可行的。(4)建立了带应急缓冲气囊的直升机水上迫降分析模型,研究了气囊对直升机刚体模型水上迫降的影响,通过与不带气囊的情况对比,得出由于应急缓冲气囊的存在,直升机的排水量相对减少了,一大部分排水量由气囊去承担,水花飞溅效果更加明显,着水姿态更加稳定。最后对比了仿真与试验结果,得出仿真计算的加速度峰值与试验结果基本一致,偏差较小。(5)建立了直升机柔性体的水上迫降分析模型,采用非线性有限元法,基于SPH法仿真了直升机的水上冲击过程,对直升机不同迫降姿态角进行水上迫降研究分析。相对于刚体模型,其可以得到更丰富的数据,包括整机应力分布、最大压力分布以及机腹监测点的压强变化等,通过与直升机刚体结果的对比分析,得出数值计算得到的加速度峰值与其趋势基本一致,但由于柔性体变形时吸收部分能量,其整体峰值水平较小。