Page 101 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 第 6 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 6
2026 年 6 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jun., 2026

DOI：10.11883/bzycj-2025-0379

基于统一强度理论的弹体侵彻天然气管道局部

损伤塑性半径统一解 *

崔 莹 ，申 瑞 ，赵均海 ，屈 展 1,2
3
1,2
1,2
（1. 西安石油大学管道工程学院，陕西 西安 710065；
2. 西安石油大学陕西省油气井及储层渗流与岩石力学重点实验室，陕西 西安 710065；
3. 长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061）

摘要： 为揭示弹体高速侵彻下天然气管道的局部损伤机理，基于侵彻试验、数值模拟与理论推导，建立了一种基
于统一强度理论的管道损伤塑性半径统一解。通过开展 L415M 管道钢的弹体侵彻试验，获取了管道着弹面撞击形
态、塑性区范围及塑性半径等关键参数。基于试验结果和 ANSYS/Workbench 建立动力学模型，对管道的局部应力场
和应变分布进行了数值模拟，并引入统一强度理论对中间主应力参数 b 的敏感性进行了系统分析，进而结合有限柱形
空腔膨胀模型，推导建立了管道损伤塑性半径的解析表达式，并提出了弹体侵彻天然气管道局部损伤失效准则，当侵
彻荷载下测量得到的塑性半径超过由材料单向拉伸断裂应变 ε f 与模型参数 A（含中间主应力参数 b）所限定的临界值
r ma 时，可判定管道发生局部损伤失效。结果表明：当 b=0.2 时，理论预测与试验结果吻合最佳，相对误差小于 10%，能
x
较准确描述管道局部塑性变形及损伤规律。本研究为长输天然气管道在高速冲击载荷下的安全评估与防护设计提供
理论依据和工程参考。
关键词： 统一强度理论；有限柱形空腔膨胀理论；侵彻荷载；天然气管道；损伤统一解
中图分类号： O389 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

Unified solution for plastic radius of local damage in gas pipeline under
projectile penetration based on the unified strength theory

1,2
1,2
3
CUI Ying , SHEN Rui , ZHAO Junhai , QU Zhan 1,2
（1. School of Pipeline Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, Shaanxi, China;
2. The Key Laboratory of Well Stability and Fluid & Rock Mechanics in Oil and Gas Reservoir of Shaanxi Province,
Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, Shaanxi, China;
3. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China）

Abstract: To reveal the local damage mechanism of natural gas pipelines subjected to high-velocity projectile penetration, a
unified solution for the plastic radius of pipeline damage was established based on the unified strength theory, integrating
penetration tests, numerical simulations, and theoretical analysis. Through projectile penetration tests on L415M pipeline steel,
key parameters including impact feature on the impacted surface of the pipeline, plastic zone and plastic radius were obtained.
Based on the experimental results and ANSYS/Workbench, a dynamic model was developed to numerically simulate the
b
distribution of local stress fields and strains in the pipeline. Sensitivity analysis of the intermediate principal stress parameter
was conducted using unified strength theory. Furthermore, in conjunction with a finite cylindrical cavity expansion model, an

* 收稿日期： 2025-11-21；修回日期： 2026-01-24
基金项目： 陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-YB-296）；陕西省教育厅重点科学研究计划（22JT035）；四川省重点实
验室开放基金（24kfck02）
第一作者： 崔 莹（1979－ ），男，博士，教授，cuiying126@xsyu.edu.cn
通信作者： 赵均海（1960－ ），男，博士，教授，zhaojh@chd.edu.cn

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