Page 157 - 《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

边界，模型如图 14 所示。有限元网格划分是将
复杂结构拆为简单单元以简化计算，本算例管
道、土体、落锤均采用 SOLID164 单元。为兼顾
模拟的稳定性、精度和效率，落锤冲击作用区域
z
内的土体、管道及管道环向局部单元网格尺寸 y x
边 界 不 超 过 5 cm， 其 余 区 域 网 格 尺 寸 不 超 过
图 15 有限元模型网格划分
10 cm。网格划分如图 15 所示。 Fig. 15 Mesh division of finite element model
2.2 定义材料模型

考虑到土体的变形特征，土体材料模型采用 Drucker-Prager (D-P) 模型，可以较好地模拟土体在动力
作用下的弹塑性状态。模型参数根据室内力学试验结果进行确定，具体参数与试验相同。
管道采用随动硬化双线性弹塑性模型，该材料模型适合大部分弹塑性材料，特别是钢材模型，这种
模型可以是各向同性、随动硬化及两者混合 [26] 。管道材料主要参数与试验相同。

2.3 模型验证
数值模拟验证采用与试验等尺寸模型，如
图 16 所示。选取埋深 0.20 m 的管道，建立不同
冲击高度下球形落锤冲击的数值模型。提取冲
击 位 置 管 道 的 底 部 中 心 点 位 移 时 程 曲 线 如
图 17 所示，可以看出 3 种冲击高度下位移变化 z
趋势一致，随着落锤冲击高度的增大，管道底部 y x
产生的竖向位移峰值及残余位移逐渐增大。 图 16 球型落锤冲击形式有限元模型
将不同冲击高度下数值模拟得到的管道下 Fig. 16 Finite element model of spherical hammer impact
部竖向位移峰值，与试验实测位移数据进行对比 2 Impact height 1.0 m
分析，结果如表 2 所示。 1 Impact height 1.5 m
Impact height 2.0 m
通 过 表 2 可 知 ， 球 形 落 锤 1.5 m 高 度 冲 击 0
时，模拟和试验结果产生误差最大，相对误差为 −1
12.5%，同时数值模拟结果的管底位移峰值始终 Displacement/mm −2
大于试验管底位移峰值。这是因为试验中土的 −3
离散性较大，导致土体厚度无法准确控制，而有 −4
限 元 模 拟 中 土 体 的 材 料 属 性 则 为 一 种 理 想 状
−5
25
态。总体上来看，有限元模拟能够较好地还原试 0 5 10 15 20 Time/ms 30 35 40 45 50
验结果，运用 ANSYS/LS-DYNA 软件能够模拟
图 17 不同高度球形落锤冲击 0.20 m 埋深管道底部
管体在冲击荷载作用下的动力响应，可以基于此 位移时程曲线数值模拟结果
建模方法进行不同影响因素工况下的管道动力 Fig. 17 Numerical results of displacement-time history curves
响应分析。 at the bottoms of pipelines buried at 0.20 m under impact of
spherical hammers with different heights

表 2 管体沉降位移模拟结果与试验结果的对比
Table 2 Comparison of pipeline settlement displacements between simulation and test

管体沉降位移/mm
冲击高度/m 相对误差/%
试验 模拟
1.0 2.7 3.0 11.1
1.5 3.2 3.6 12.5
2.0 3.9 4.3 10.2

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