Page 102 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 崔 莹，等： 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 第 6 期

analytical expression for the plastic radius of pipeline damage was derived, and a failure criterion for local damage of natural
gas pipelines under projectile penetration was proposed. According to the criterion, when the plastic radius measured under
ε f of the material and the
penetration loading exceeds the critical value r max defined by the uniaxial tensile fracture strain
b ), local damage failure of the pipeline can
model parameter A (which incorporates the intermediate principal stress parameter
b = 0.2 ,
be determined. The results indicate that the theoretical predictions are in best agreement with experimental data when
with a relative error of less than 10%. This approach accurately describes the local plastic deformation and damage behavior of
the pipeline, providing a theoretical basis and engineering reference for the safety assessment and protection design of long-
distance natural gas pipelines under high-velocity impact loading.
Keywords: unified strength theory; finite cylindrical cavity expansion theory; penetration load; natural gas pipeline; unified
damage solution

长输天然气管道作为国家能源输送的生命线工程，其服役安全性直接关系到城市能源系统的稳定
运行与公共安全。随着管道铺设里程的不断增加，其服役环境日趋复杂，外部爆炸冲击、飞溅碎片及施
工误伤等偶发高能量载荷事件已成为影响管道完整性的重要威胁之一 [1-3] 。此类高速弹体侵彻作用会引
起管道局部结构的剧烈塑性变形甚至穿透失效，进而导致天然气泄漏、燃爆等重大安全事故 [4-6] 。因此，
研究高速侵彻荷载下天然气管道的动态响应与损伤机理，对于建立安全评价方法和防护设计准则具有
重要理论意义与工程价值。
近年来，针对高速冲击与侵彻载荷作用下金属壳体及管道结构的动力响应与损伤演化问题，学者们
开展了大量研究。Ni 等 [7] 通过高速冲击试验与数值反演方法，系统分析了纤维金属层合结构在高速冲
击条件下的损伤演化过程及本构参数敏感性，为动态冲击问题中的材料建模与参数识别提供了重要参
考。Nieto-Fuentes 等 [8] 针对金属圆柱管开展了高速冲击碎裂试验，从应力波传播与材料失效机理角度揭
示了圆柱管在高速载荷作用下的塑性扩展与动态破坏特征，为圆柱壳类结构的侵彻响应研究提供了试
验依据。Huang 等 [9] 利用高精度分辨试验技术，系统研究了金属圆柱壳体在爆炸载荷作用下的断裂行
为，揭示了极端动态载荷条件下圆柱壳体的变形与破坏演化规律。此外，Chen 等 [10] 系统总结了金属材
料在侵彻冲击过程中的典型破坏模式、强化机制及数值模拟方法，为侵彻问题的材料力学分析提供了较
为全面的理论支撑。
考虑冲击与爆炸载荷对管道结构安全性的威胁，工程防护与结构加固相关研究亦得到关注。崔莹
等 [11] 针对碳纤维强化复合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）加固埋地油气管道在爆炸荷载下的
损伤判定方法开展了系统研究，揭示了加固层对管道局部响应的抑制作用；钟紫蓝等 [12] 进一步分析了碳
纤维增强复合材料加固后埋地压力钢管在复杂构造作用下的力学性能变化。与此同时，Wang 等 [13] 通过
试验与数值模拟相结合的方法，研究了 CFRP 加固钢结构在冲击载荷作用下的动态响应特征；Shuaib 等 [14]
针对 CFRP 加固钢板在爆炸载荷作用下的动力响应开展了数值模拟研究，系统分析了不同 CFRP 加固配
置对结构抗爆性能的影响。上述研究为管道及相关结构在极端荷载作用下的防护与加固设计提供了重
要参考。
总体来看，现有研究在爆炸冲击荷载下金属管壳碎裂与断裂现象表征、材料层面机理分析以及防护
与加固效果评估等方面取得了丰富成果，但针对足尺金属圆柱管在高速弹体侵彻作用下局部塑性区扩
展规律的统一解析描述仍相对不足。
在此基础上，部分学者尝试引入空腔膨胀理论描述弹体侵彻过程中靶体塑性区的扩展行为。早期
研究多基于半无限靶体假设，Forrestal 等 [15] 通过经验公式和能量平衡方法对侵彻过程进行简化描述。随
着研究的深入，空腔膨胀模型逐渐发展并被广泛应用于金属厚靶、复合靶及地下防护结构的侵彻分析
中，其计算精度和理论完备性不断提高 [16-18] 。蒋志刚等 [19-21] 提出了有限柱形空腔膨胀模型，用以解决有
限厚度与有限半径条件下的侵彻问题；宋殿义等 [22] 进一步将该模型拓展至圆柱形金属靶体，考虑了结构
曲率与边界约束效应，为管道类结构侵彻响应的理论分析提供了新的思路；王娟等 [23] 基于试验与理论对

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