Page 156 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 费鸿禄，等： 落石冲击作用下埋地管道的动力响应分析 第 7 期

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从图 12～13 可以看出，压应变测点：测点 1 应变从−11.09×10 降至−4.42×10 （绝对值降幅 60.1%），
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测点 2 应变从−4.93×10 降至 0.35×10 （绝对值降幅 92.9%），测点 6 应变从−6.56×10 降至−1.92×10 （绝对
值降幅 70.7%），其中测点 2 为压应变高敏感测点；拉应变测点：测点 3 应变从 3.46×10 降至 0.29×10 （降
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幅 91.6%），测点 4 应变从 4.55×10 降至 1.08×10 （降幅 76.3%），测点 5 应变从 7.67×10 降至 4.12×10 （降
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幅 46.3%），其中测点 3 为拉应变高敏感测点，管道各测点应变峰值随管道壁厚的增大而减小，可见管道壁
厚对管道应变起关键的抵抗作用。厚壁管道凭借更高截面惯性矩，能更有效地吸收和分散冲击能量。试
验数据还显示，管道壁厚增加，管道顶部和底部应变在轴向最大，且近似反对称，表现为整体弯曲变形。
6.0 10.0

4.0 4.0
2.0 2.0 5.0
Strain/10 −4 −2.0 0 Gauge 1 Strain/10 −4 −2.0 0 Gauge 1 Strain/10 −4 −5.0 0 Gauge 1
Gauge 2
Gauge 2
Gauge 2
Gauge 4
Gauge 4
Gauge 4
−4.0 Gauge 3 −4.0 Gauge 3 −10.0 Gauge 3
−6.0
Gauge 5
Gauge 5
Gauge 5
−6.0 Gauge 6 −8.0 Gauge 6 Gauge 6
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 −15.0 0 50 100 150 200 250 300
Time/ms Time/ms Time/ms
(a) 1.0 m (b) 1.5 m (c) 2.0 m
图 12 球形落锤冲击壁厚 1.0 mm 管道应变时程曲线
Fig. 12 Strain-time history curves of pipelines with 1.0 mm wall thickness subjected to spherical drop hammer impact
2.0 3.0 4.0

1.5 2.0
1.0 1.0 2.0
Strain/10 −4 −0.5 0 Gauge 1 Strain/10 −4 −1.0 0 Gauge 1 Strain/10 −4 0 Gauge 1
0.5
Gauge 3
Gauge 3
Gauge 3
−1.0 Gauge 2 −2.0 Gauge 2 −2.0 Gauge 2
Gauge 4
Gauge 4
Gauge 4
−1.5 Gauge 5 −3.0 Gauge 5 −4.0 Gauge 5
Gauge 6
Gauge 6
Gauge 6
−2.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Time/ms Time/ms Time/ms
(a) 1.0 m (b) 1.5 m (c) 2.0 m
图 13 球形落锤冲击壁厚 2.0 mm 管道应变时程曲线
Fig. 13 Strain-time history curves of pipelines with 2.0 mm wall thickness subjected to spherical drop hammer impact
2 有限元模拟
2.1 模型的建立与网格划分
利用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立三维有限元模型，对落石冲击埋地管道进行数值模拟。通过与落
锤冲击试验结果对比验证模型的可行性，并基于大尺寸模型研究更多因素对管道应力、应变的影响。冲

击荷载的作用范围约为 6 倍管径 [25] ，为减少计算
Rockfall
量，采用截断边界法构建埋地输气管道数值模
型。土体模型尺寸为 8 m×5 m×5 m，管道外径为 Soil mass
Pipeline z
0.5 m，壁厚为 1.0 cm，埋深为 1.0 m。选取球形落 y x
石的半径为 60 cm，落石材料的密度为 2.7 g/cm ， z
3
y x
弹 性 模 量 为 30 GPa， 泊 松 比 为 0.29， 摩 擦 角 为 (a) Overall model (b) Pipeline model
42°。将土体定义为半无限空间，土体受冲击面
图 14 落石冲击埋地管道有限元模型
为自由边界，土体模型底面上约束全部自由度，
Fig. 14 Finite element model of rockfall impact
侧面表示外围的无限大区域，边界定义为无反射 on buried pipeline

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