Page 103 - 《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

高速长杆弹侵彻有限厚金属靶的机理进行了系统研究，揭示了冲击速度、弹径比及靶厚比对穿透性能的
影响规律；张虎等 [24] 则结合试验与仿真研究了管道在冲击荷载作用下的破坏模式和应变分布特征。
然而，上述研究大多基于经典屈服准则，在分析复杂三向应力状态时忽略了中间主应力的影响，导
致模型在预测圆柱壳体等非平面结构受冲击时的强度响应方面存在偏差。针对这一问题，俞茂宏 [25] 提
出的统一强度理论为材料在三轴应力状态下的强度描述提供了统一框架。该理论通过引入强度参数 b，
定量表征中间主应力对材料屈服与破坏的贡献，可覆盖莫尔-库伦（Mohr-Coulomb，M-C）准则、德鲁克-普
拉格（Drucker-Prager，D-P）准则等多种传统准则。近年来，统一强度理论已被广泛用于岩土、金属及复合
材料在复杂应力状态下的强度分析与破坏判定中。李芳涛等 [26] 将统一强度理论应用于爆炸冲击下结构
的损伤范围分析，验证了其在高应变率条件下的适用性。王娟等 [27] 在金属厚靶侵彻研究中引入中间主
应力效应，显著提升了侵彻深度与残余速度预测的精度。然而，传统的 M-C 准则和 D-P 准则主要适用于
土体、岩石，其屈服条件未考虑中间主应力或对中间主应力的影响描述较为有限。在高速侵彻与冲击荷
载作用下，金属管道局部区域往往处于强三轴应力、高应变率及强约束耦合作用状态，中间主应力对材
料屈服强度与塑性区扩展具有显著影响，传统屈服准则难以准确反映金属材料在此类复杂应力条件下
的真实承载潜能。统一强度理论通过引入中间主应力系数 b，可在统一强度理论框架内系统考虑不同主
应力组合对材料屈服与破坏行为的影响，使屈服准则可在多种应力状态之间连续过渡，从而有效推广并
涵盖多种传统屈服准则。
综上所述，现有研究在高速冲击与侵彻领域已取得诸多成果，但对于考虑中间主应力影响的管道结
构损伤机理尚缺乏系统理论与试验支撑，传统空腔膨胀模型难以准确描述有限厚度及三轴应力状态下
的材料响应。基于此，本文在统一强度理论框架下，结合有限柱形空腔膨胀模型，建立适用于圆柱壳体
结构的侵彻损伤统一解，并通过试验与数值模拟验证模型的准确性与适用性，以期为长输天然气管道在
极端冲击作用下的安全评价与防护设计提供新的理论支撑与工程参考。

1 弹体侵彻天然气管道试验

1.1 试样参数
选择天然气管道运输中常用到的 L415M 管道作为试验对象，管道试样如图 1 所示。L415M 管道试
样的具体参数如表 1 所示。

图 1 L415M 管道试件
Fig. 1 L415M pipeline specimen

表 1 L415M 管道的基本参数
Table 1 Basic parameters of L415M pipeline
屈服强度/MPa 外径/mm 壁厚/mm 长度/mm 单向拉伸断裂应变 ε f [28]
415 457 9 2 150 0.36

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