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关于刚性固定的低碳钢钢管受
侧向冲击的实验研究
N Jones,博士, DSc, CEng, FIMechE, FRINA, S E Birch, R S Birch, PhD, L Zhu,* 博士 和 M Brown ,Impact Rescarch Centre, Department of Mechanical Engineering, University of Liverpool
本文提供了从130次低碳钢钢管在两个坠落的铁锤装置下的冲击实验记录得到的实验数据。钢管两端完全固定中间留有一定的跨距，跨距在22mm到324mm间变化，跨距与管子外径之比为10。所有的管子被分为5组，管壁厚均约为2mm，利用刚性的楔形压头横向撞击管子跨距的中点、1/4处以及靠近支承点处。撞击速度最大可达14m/s，形成各种失效模型。五组实验中任意两组实验的比较都得到了令人满意的几何相似的变形规律。
符号说明
a —— 图7中变形管道的等面积轴线与管子底部的距离
D —— 管子外径
Dd —— 图7中变形管道横截面的平均直径
Dmax—— 图7中有凹痕的管子横截面的最大外径
Dmin—— 图7中有凹痕的管子横截面的最小外径
Ek—— 初始动能 =
Es——
G —— 落体的质量
H —— 管子的名义厚度
2L —— 管子两个支承之间的距离
Ld —— 撞击点至局部挠度是最大局部挠度的1%的点的距离
Lf —— 图7中凹痕平整部分的长度
M0—— 方程式（3）中给出的管子横截面的塑性弯矩
Pc—— 方程式（2）中给出的梁的静态塑性崩溃载荷
Pm—— 从撞击开始至管子的挠度达到最大值时的P-t曲线的平均撞击力
Pmax—— 最大撞击力
R —— 管子的平均半径
S —— 比例因子
t —— 时间
Td —— 落体与管子分离时的时间
Tm —— 对应于Wm的时间
V0 —— 初始撞击速度
Vr —— 落体与管子分离时的回弹速度
Wf —— 撞击点处管子总的横向永久挠度
Wg —— 撞击点处管子总体横向永久挠度
W1 —— 撞击点处管子局部横向永久挠度
Wm —— 撞击点处管子最大的横向挠度
x —— 图8中距离支承的纵向距离
alpha; —— 图7中定义的角度
ε—— 静态单轴应变
εr —— 静态单轴断裂应变
theta;f —— 管子断裂时横截面平面所对应的角度
lambda;—— 方程式（1）和方程式（4）中定义的无因次的初始动能
Lambda;—— 方程式（13）和方程式（14）中定义的无因次的初始动能
sigma;—— 静态单轴应力
sigma;y—— 静态单轴屈服应力
sigma;u—— 静态极限拉应力
Ф—— 图7中定义的角度
- 引言
为了评估很多管道和壳式结构的安全性，预测其受到坠落物体撞击的动态响应是很有必要的。坠落的物体可能对管道或壳式结构物只造成了一点凹痕，虽然不会立即产生危险，但可能由于横截面减小了载荷承受能力而导致失效。而且，足够大的载荷可能直接导致材料断裂。因此，结构失效威胁到整套设备的安全。
在现有的文献里几乎没有涉及如何评估造成管子失效的冲击条件，关于这个问题，也没有人发表动力冲击速度达到14m/s的系统的实验结果。
在利物浦大学机械工程系的冲击研究中心，利用楔形冲头对两端刚性固定的钢管进行了侧向冲击实验并进行非弹性动态响应分析，撞击位置分别在跨距中点、1/4处以及靠近支承处。
冲头的几何形状是根据大量的试验选择的，是一种意外掉落在管道上的凸缘的理想化模型。实验的钢管是由无缝冷加工低碳钢制成的，厚2mm，管子外径分别是22、42、60、80和120mm。通过去帕廷顿的英国天然气工厂现场参观，确定2L/D = 10，这是最大的无支承钢管长度与外径之比。两端夹紧的边界条件作为一种极端的边界条件，因为比起其他边界条件，管道在两端夹紧的条件下更容易失效。本实验测试了120多跟钢管，并提供了大量的速度、冲击力、挠度随时间的变化曲线，以及被破坏的管道的永久变形轮廓和各种冲击管道的失效模型。
在Cramlington的OLIC进行了进一步的实验研究。10根两端完全夹紧的钢管试样，利用刚性楔形冲头撞击钢管的跨距中点。为了将Cramlington的实验安排与冲击研究中心的进行对比，5根试样在实验上几乎一样，另外5根试样选取了更大的外径324mm进行实验，这样可以评估基础的几何相似变形规律的正确性。
本文只提供了实验结果，对比的文章（1）包含了简要的文献评论、理论分析和对实验结果进一步的探讨。
- 实验细节
2.1试样和夹紧装置
实验测试七组不同大小的钢管，外径厚度比D/H分别是11、21、30、34.47、40、60和62.34，如表1所示。管道的长度选取要满足2L/D asymp; 10，其中2L表示两支承之间的距离。实验所用到的钢管均为冷加工无缝钢管。
所以的钢管通过分离式夹紧装置和固体钢塞子进行刚性固定，钢塞子塞进钢管两端，防止在实验期间，管子在夹具内发生扭转变形，阻止管子被拉出夹具。
2.2静态拉伸实验
拉伸实验的试样是管子沿轴向进行切割，并缓慢压平得到，除了最小管径的A类试样。A类试样是将中间部分加工成两端各留12mm宽的韧带。每类管子测试了三根试样，计算得得出管子的平均屈服应力、极限拉应力和断裂应变。
表2中列出了A至G类钢管的机械性能。
2.3钢管静态实验
静态实验的实验布置如图1a所示，15ordm;的楔形冲头如图1b所示。楔形冲头安装在液压致动器末端，实验过程中使冲头的上升速度为0.05mm/s。对于A、B两个系列的钢管，在管子跨距中点加压载至管子一端发生断裂。然而C、D、E系列的钢管观察不到断裂，因为管子出现很大的挠度时管子在边界处会产生水平位移和扭转。冲头在垂直于钢管轴向方向的宽度大于Dmax 。
2.4钢管动态实验
在冲击研究中心进行了A至E五组动态实验（图2）。实验用到的冲头和2.3节静态实验用的冲头一样。装置的设计是为了使冲头的边缘垂直于管子纵轴和沿跨距上任意一点撞击。本文记录了在跨距中点、四分之一处和靠近支承处的冲击结果。在Cramlington用相似的实验布置进行F、G两组冲击实验，撞击管道跨距中点。
实验过程中冲头的速度时间曲线是用激光多普勒速度计测量的，数据是由频率为58—75Hz的瞬时记录器记录的。利用计算机进行实验结果分析，通过比较和整合，数字过滤后得到载荷—时间，位移—时间曲线。对于一些试样，利用高速照相机记录下冲击管道的整个变形过程。
- 实验结果
3.1静态实验
图3给出了A至E系列管道静态实验的力—变形曲线。
由图3a可以看出A2S试样一端断裂最大的力为30.51KN，另一端随后断裂的力为28.81KN。图3b表明B1S试样两端断裂的最大的力为27.12KN。图3c至图3e中C2S、D2S和E1S试样在夹紧装置内发生了大的位移，因此在静态实验实验中没有完全固定以阻止在较大的冲击作用下发生水平位移和扭转。
3.2动态实验
3.2.1 冲击管道的动态响应
图4和图5给出了典型的位移、速度、载荷随时间的变化曲线。从图4c和图5c可以看出撞击开始时冲击载荷快速上升，然后稳定增至最大值，最后当冲头离开管子表面时冲击载荷减小至0，图4b和图5b给出的速度—时间曲线也显示出这一点。
A至E系列的试样在冲击实验冲记录的重要参数均已列出，表3和表4给出的是中点撞击的数据，表5是四分之一跨距处的，而表6则是靠近支承处。F和G试样的实验结果包含在表3中。
图6给出了高速照相机记录下来的D5试样中点撞击后的变形过程。基于对高速照相机记录的结果的观察和对激光追踪器测量结果的比较，可以得出D5试样在撞击过程中的变形模型：
1.扭曲或局部模型（0≦t≦t1，t1=3.75ms）
t1=3.75ms是管子表面的中心轴开始变形的时间。
2.弯曲和扭曲（t1≦t≦t2，t2=15.45ms）
这一阶段扭曲继续，整体弯曲越来越重要。可以观察到管子中心轴几乎是由两条直线在撞击点处连成的折线。
- 弹性回复（t2≦t≦t3，t3=22.95ms）
当管子达到最大变形是开始弹性回复，当落体离开管子表面时弹性回复停止。
3.2.2 管道损伤截面
图7给出了理想化的管道损伤后的横截面，主要由Lf、Dmax、Dmin三个参数决定。A至E系列管道中点受冲击的这些几何参数在表3均已列出。表3中也包含了F、G试样的Dmin。
3.2.3 管道的局部损伤和整体弯曲
测量了试样A2、 A4、 Bl、 B5、 E3 和 E4沿轴向上下表面的永久横向变形，可以将管子的局部变形和整体弯曲响应分离开。图8给出了B1管道的局部和整体变形。可以看出距离撞击点Ld=120mm处的局部变形小于撞击点处的最大局部变形的1% 。
3.2.3 失效模型
基于对实验试样的仔细观察，可以得出四种失效模型：支承处的内表面剪切滑移，支承处塑性断裂，撞击点剪切滑移，靠近端点处底部表面屈曲。如图9所示。
表4至表6列出了A至E系列试样的失效模型，附录中给出了表中所用到的标记的含义。
- 讨论
为了方便和更容易陈述实验结果，在图10至图16中标绘出实验数值。
图10给出了A至E系列试样中点受撞击后的最大永久横向位移。明显可以看出，对于给定的管径，不考虑管子是否失效（附录中已给出定义），最大永久横向位移（Wf）与落体的初始动能成线性关系。这表明管子试样具有很大的横向储备强度和能力吸收能力，且超过了极限失效条件，即使管道吸收的能量都会释放掉。分析图10给出的实验结果时应注意到表2中给出的五组管子的静态单轴拉伸材料性能是不同的，然而，不同管径的实验结果却有相似的曲线趋势，即使这种结果部分是由于每种管径有不同范围的冲击能量。
图10中D/H=11和D/H=21的试样的实验结果是用质量分别为10kg和17.5kg的落体得到的。因此实验结果随动能Ek的变化相当于随着变化，是用横坐标除以G/2得到。在图10中，试样C2（Ek=1.665KJ）和C3（Ek=2.158KJ）的实验结果在D/H=40的曲线的下方，试样C2、C3所用到的落体质量为33.5kg比C系列的其他试样所用到的落体质量49.5kg小。由于材料应变率敏感性有很大的影响，相应越高的冲击速度越可能造成断裂。
图11至15的无量纲纵坐标是最大横向永久位移除以壁厚（H=2mm）或外径（D）得到。
图11至图15的横坐标——无量纲的初始动能：
（1）
其中
（2）
（3）
方程式（1）整理得：
（4）
两端刚性固定梁，在跨距2L中点受到静态集中力而引起极小的横向位移，PC是典型的静态塑性崩溃载荷[4,5]。将材料理想化成刚性、完全塑性，且静态单轴屈服应力为，横截面不变形时，梁相当于有薄壁环形横截面，平均直径为D，壁厚为H，塑性弯矩为M0。因此PCH相当于集中崩溃载荷
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