常规爆炸地冲击荷载下土中充液压力圆柱壳动力屈曲研究

常规爆炸地冲击作用下埋地油气输送管道动力响应机理研究是涉及公共结构设施安全的重要课题。充液压力圆柱壳结构可有效模拟油气输送管道，开展爆炸冲击荷载下圆柱壳的动力屈曲研究具有现实应用背景。课题建立圆柱壳结构周边动荷载分布简化模型，构建适用于爆炸冲击载荷作用下圆柱壳-土作用特征分析的数理模型；研究圆柱壳-内充液体组成的动力学体系，提出反映内充介质及压力对圆柱壳冲击动力响应耦合作用的等效计算方法；基于以上问题研究，建立爆炸载荷下土中充液圆柱壳动力屈曲的哈密顿体系，求解动力屈曲特征量值；量化爆源条件、埋深、土介质力学性能、壳材料性能及充液预加工作内压等关键因素对圆柱壳动力屈曲的影响，最终转化为对在役埋地油气输送管道结构进行稳定性评估的计算平台，成果对于管道制定抗冲击技术措施具有重要理论指导意义和工程应用价值。课题有助于深化圆柱壳结构冲击动力屈曲研究的内容，同时为提高圆柱壳结构的抗爆能力奠定理论基础。

本项目开展的主要研究工作和取得的主要成果是：（1）针对大直径钢圆柱壳接触爆炸破坏效应进行了化爆实验，获得了不同装药量及圆柱壳结构参数条件下的爆炸破坏参数。对圆柱壳的非线性动态响应过程进行数值计算，准确描述了壳壁迎爆面的变形破坏及对面壳壁在爆炸破片碰撞下的后效作用过程。（2）开展了侧向爆炸荷载下圆柱壳的动力学行为实验研究，系统分析了不同爆源及壳壁厚参数条件下圆柱壳的冲击变形模式。数值模拟分析了圆柱壳的变形历程及最终变形残余情况。采用塑性动力学理论，将圆柱壳视为理想刚塑性模型，并采用逐段线型Tresca屈服准则来模拟壳体的塑性流动，计算得到圆柱壳最终塑性变形挠度。（3）针对圆柱壳在径向爆炸荷载冲击下动力屈曲问题进行了数值计算。将径向爆炸荷载简化为无上升段的三角形瞬态动荷载，分析了荷载作用时间对圆柱壳结构动力响应的影响。并根据B-R准则，确定了不同载荷作用时间条件下圆柱壳发生屈曲时的临界荷载。动力屈曲性态分析结果表明径向爆炸荷载作用下圆柱壳出现三种动力响应状态: 弹塑性动力响应、动力屈曲状态和动力失效模式。（4）针对充液介质对圆柱壳抗爆动力屈曲影响特性进行了研究。将充水钢圆柱壳置于爆炸场中进行冲击实验，获得了不同工况下圆柱壳的变形破坏模式。数值计算分析了壳壁的屈曲变形过程及水介质内压力等动态参数。研究表明，由于内充水介质的近似不可压缩性，参与了对外界爆炸冲击载荷的抗力作用，显著提高了圆柱壳的抗爆能力。理论分析中在地基梁模型中引入附加质量及附加阻尼，可较好反映内充介质对圆柱壳屈曲变形的影响。（5）开展了爆炸冲击荷载下土中圆柱壳动力屈曲理论研究。分析土中圆柱壳的受力特征，利用修正的Winkler模型对圆柱壳-土相互作用进行描述，并给出确定模型参数的方法。基于土埋钢质圆柱壳模型的爆炸压力加载实验，确定了壳壁周边载荷分布的合理简化模型。进而对圆柱壳结构的动力屈曲问题进行了数值计算，并根据B-R准则确定了临界屈曲荷载。通过对多工况下计算结果的分析，给出了临界屈曲荷载与土体弹性常数的关系。（6）实验测试了爆炸荷载下土中带接头圆柱壳的动力响应参数，研究了壳体关键部位应变时程曲线及其规律，并对不同接头形式参数下实验结果进行了对比分析。研究表明，管径突变将产生应力集中，接头部位是圆柱壳系统薄弱环节。项目研究成果为在役油气管道等柱壳结构的抗爆能力分析和安全性评估提供了重要理论基础和参考依据。