Page 112 - 《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

应力 b 取值条件下（b=0，0.2，0.4）的塑性半径理 18
17 b=0
论值和测量值的误差整体分布特征进行了综合
16 b=0.2
分析和误差带对比，如图 14 所示。 15 b=0.4
从图 14 可以看出，当 b=0 时，预测误差整体 14
偏大，且误差离散性较强，表明忽略中间主应力 Plastic radius/mm 13
12
影响会导致模型对管道局部塑性区扩展的描述 11
偏于保守；当 b=0.4 时，部分工况下误差显著放 10
9
大，预测结果出现系统性偏离试验结果的趋势。 8
相比之下，b=0.2 条件下误差带整体位置最接近 7
6
实际值，误差分布最为集中，其平均误差水平和 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
波动幅度均明显小于其他两种取值情况，体现出 Pipe thickness/mm
更优的预测稳定性与工程适用性。 图 14 误差带对比
基于上述误差带对比结果，可以认为在所考 Fig. 14 Comparison of error bands
察的 3 种中间主应力系数取值中，b=0.2 条件下
b = 0.2 时计算结果误差值对比
表 6
模型预测结果与试验数据的整体一致性最佳。
Table 6 Comparison of calculation error values
为进一步对该取值下的预测精度进行定量验证，
b = 0.2
under the condition of
本文选取 b=0.2 作为代表参数，对不同管道壁厚
未穿透最大塑性 塑性半径理论
工况下塑性半径的理论计算值与试验测量值进 管道厚度/mm 误差/%
半径/mm 计算值/mm
行逐一误差对比分析，相关结果汇总于表 6。
9 7.5 7.312 2.5
结果显示，当 b=0.2 时，理论值与试验测量
11 8.8 8.936 1.5
值的吻合度最高，相对误差均小于 10%，均方差
13 10.7 10.561 1.2
控 制 在 5 % 以 内 。 因 此 ， 在 本 文 试 验 条 件 下 ， 15 11.6 12.186 5.1
b=0.2 时，式 (14) 所预测的塑性半径最合理，可视 17 13.1 13.811 5.4
为该材料体系的最优解。 19 15.2 15.436 1.5
基于上述参数，式 (14) 可简化为本文研究
条件下天然气管道着弹面局部塑性半径统一解：
 …
11ε f

 Safety
r＜r t
6
r max | b=0.2 = … (15)
 11ε f

 Failure
r≥r t
6
式 (15) 为 L415M 管道材料在受到弹体冲击荷载下根据局部损伤塑性半径来确定损伤评估为安全
或失效的具体解析形式。它综合了材料屈服特性、强化规律及中间主应力效应，可直接用于预测在不同
冲击强度与壁厚下的塑性区扩展范围。式 (15) 的所有参数均可通过标准拉伸与冲击试验获得，便于工
程应用，对于设计和运行阶段的结构安全评估，可通过监测管道局部应变水平并代入式 (15) 计算塑性区
半径，从而判断其是否达到临界损伤状态，实现从“应变可测”到“损伤可判”的量化转换。
4.2.2 最优 b 的参数说明
统一强度理论中的中间主应力系数 b 并非严格意义上的材料常数，而是用于表征中间主应力 σ 2 对
材料屈服与塑性扩展影响程度的权重参数，其取值与材料类型、应力状态以及加载路径密切相关。在高
速弹体侵彻管道问题中，靶体材料处于显著的三向应力状态，中间主应力对材料强度潜能的发挥具有不
可忽略的影响。
本文所确定的 b=0.2，是在高速弹体正入射侵彻天然气管道、冲击距离小于 20 m、管道受力状态近
似轴对称且约束条件明确的试验与数值模拟工况下，通过对比理论计算结果与试验及数值测量值所得
的工程最优取值。在上述侵彻工况中，考虑中间主应力效应可显著提高塑性半径预测精度，体现了中间

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