新编安全工程学1.5安全科学的流变突变规律课件.ppt

第五节 安全科学的流变—突变规律 安全第一，预防为主本节主要内容本节主要内容一、流变一、流变—突变理论的背景知识突变理论的背景知识二、安全流变二、安全流变—突变的基本特征突变的基本特征三、安全流变三、安全流变—突变的基本理论突变的基本理论四、安全流变四、安全流变—突变理论的应用研究突变理论的应用研究8/16/20242安全第一，预防为主一、流变一、流变—突变理论的背景知识突变理论的背景知识•“流流变变” （（Rheology））一一词词来来源源于于古古希希腊腊，，意意即即万物皆流，万物皆变万物皆流，万物皆变•“突突变变” （（Mutation））有有彻彻底底改改变变的的意意思思，，最最初初是是1968年年Thom在在《《结结构构稳稳定定性性和和形形态态发发生生学学》》著著作作中中提提出出的的表表示示事事物物发发生生了了具具有有质质的的彻彻底底改改变•流流变变、、突突变变综综合合起起来来形形成成了了流流变变—突突变变理理论论，，描描述了事物从诞生述了事物从诞生—发展发展—消亡的全部过程消亡的全部过程8/16/20243安全第一，预防为主（一）（一）   流变流变—突变理论的物质观突变理论的物质观•质中不仅包含定性的质，而且包含定量的质。

质中不仅包含定性的质，而且包含定量的质•物质世界在不断流变中突变物质世界在不断流变中突变8/16/20244安全第一，预防为主（二）（二）   流变流变—突变理论的时空观突变理论的时空观•一一个个事事物物的的空空间间广广延延性性和和时时间间持持续续性性是是该该事事物物的的一一种种内内在在属属性性，，同同其其它它事事物物进进行行对对比比必必须须在在同同一一个时空中个时空中 •一一切切流流变变—突突变变现现象象离离不不开开空空间间内内物物质质的的相相互互作作用8/16/20245安全第一，预防为主（三）（三）   流变流变—突变理论的运动观突变理论的运动观•事物的属性是在流变事物的属性是在流变—突变中显示出来的突变中显示出来的•流变流变—突变是一事物向另一事物转变的流程突变是一事物向另一事物转变的流程8/16/20246安全第一，预防为主二、 安全流变—突变的基本特征•“安安全全流流变变与与突突变变”就就是是事事物物在在发发展展过过程程中中安安全全与与危危险险的的矛矛盾盾运运动动过过程程这这一一矛矛盾盾运运动动决决定定了了各各个个阶阶段段的的安安全全状状态态下下面面以以一一些些典典型型例例子子说说明明“安全流变与突变安全流变与突变”的基本特征。

的基本特征一）矿山灾害（一）矿山灾害（二）机械事故（二）机械事故（三）社会变革（三）社会变革（四）人的衰亡过程（四）人的衰亡过程（五）安全流变（五）安全流变—突变论突变论8/16/20247安全第一，预防为主（一）矿山灾害（一）矿山灾害1．自燃火灾．自燃火灾OAOA段：煤与氧气开始段：煤与氧气开始 接触氧化接触氧化ABAB段：氧化速度减慢，段：氧化速度减慢， 氧化程度加深氧化程度加深 BDBD段：氧化速度加快段：氧化速度加快D D点：发生自燃火灾点：发生自燃火灾C C点：人为设置的报警点点：人为设置的报警点8/16/20248安全第一，预防为主（一）矿山灾害（一）矿山灾害2. 冒顶冒顶OAOA段：刚掘出新巷道段：刚掘出新巷道 变变形形速速度度递递减减段段ABAB段：稳定段段：稳定段BDBD段段：：围围岩岩压压力力等等条条件件变变化化，，变变形形速速度度加加快快，，发发生冒顶生冒顶8/16/20249安全第一，预防为主（一）矿山灾害（一）矿山灾害3 3．．    煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出OAOA段：损伤减速增加段：损伤减速增加 阶段阶段ABAB段：损伤稳定发展段：损伤稳定发展 阶段阶段BCBC段：损伤加速段段：损伤加速段CDCD段：灾害发展阶段段：灾害发展阶段8/16/202410安全第一，预防为主（二）机械事故（二）机械事故OAOA段：初期零部件跑段：初期零部件跑 合磨损段合磨损段ABAB段：恒速磨损老化段段：恒速磨损老化段BCBC段：与元器件寿命段：与元器件寿命相关的加速磨损老化段相关的加速磨损老化段C C点：为机器临界磨损老点：为机器临界磨损老化量。

化量8/16/202411安全第一，预防为主（三）（三）   社会变革或改革社会变革或改革纵轴表示矛盾的激化程度纵轴表示矛盾的激化程度OA段段：：新新秩秩序序建建立立过过程程中矛盾逐渐缓和阶段中矛盾逐渐缓和阶段AB段段：：新新秩秩序序建建立立后后矛矛盾的稳定发展阶段盾的稳定发展阶段BC段：旧的管理体制阻段：旧的管理体制阻碍生产力发展后的矛盾碍生产力发展后的矛盾加剧阶段加剧阶段 C点：矛盾激化程度的突点：矛盾激化程度的突变点8/16/202412安全第一，预防为主（四）（四）人的衰亡人的衰亡过程程1.人的生命过程人的生命过程纵轴表示人体的衰老程度纵轴表示人体的衰老程度OA段段：：生生命命诞诞生生到到青青春春期阶段期阶段AB段段：：青青春春期期到到老老年年期期阶段阶段BC段：人体进入老年期段：人体进入老年期的加速衰老阶段的加速衰老阶段 C点：生命衰亡的临界值点：生命衰亡的临界值8/16/202413安全第一，预防为主（四）（四）人的衰亡人的衰亡过程程2.人的伤亡过程人的伤亡过程    纵纵轴轴表表示示人人体体伤伤亡亡事事故故发生概率发生概率OA段段：：人人体体进进入入工工作作环环境认识工作对象的过程境认识工作对象的过程AB段段：：熟熟悉悉环环境境后后伤伤亡亡事故概率稳定增加阶段事故概率稳定增加阶段BC段：一些客观导致危段：一些客观导致危险度增大阶段险度增大阶段C点：危险度的临界值点：危险度的临界值8/16/202414安全第一，预防为主（五）安全流变（五）安全流变—突变论突变论•综上所述，安全综上所述，安全—危险这一矛盾运动贯穿于事物危险这一矛盾运动贯穿于事物存在的始终。

并且受到存在的始终并且受到内在因素和外在因素内在因素和外在因素的制的制约•研究事物的流变研究事物的流变—突变运动，必须从危险因素中突变运动，必须从危险因素中找到内在因素，通过研究内在因素的变化规律得找到内在因素，通过研究内在因素的变化规律得到到安全流变安全流变—突变突变的基本规律，然后再考虑外在的基本规律，然后再考虑外在因素的影响因素的影响8/16/202415安全第一，预防为主事物事物““安全流变与突变安全流变与突变””的全过程为：的全过程为：•当某一新事物诞生后的初期（当某一新事物诞生后的初期（OA阶段），其损伤量随阶段），其损伤量随时间呈减速递增，新秩序在此期间逐渐形成和完善时间呈减速递增，新秩序在此期间逐渐形成和完善•当新秩序发展到成熟阶段时（当新秩序发展到成熟阶段时（AB阶段），完善的新秩阶段），完善的新秩序使损伤量匀速缓慢增加序使损伤量匀速缓慢增加•经过一个稳定增加的时期后，原秩序将再次向无序方经过一个稳定增加的时期后，原秩序将再次向无序方向发展，进而使损伤量值开始加速增大（向发展，进而使损伤量值开始加速增大（BC段）•任何事物都具有其固有的损伤量承受能力界限，超出任何事物都具有其固有的损伤量承受能力界限，超出此限后，事物将发生安全突变。

此限后，事物将发生安全突变•当原秩序破坏后，事物又开始回归到一个新的安全状当原秩序破坏后，事物又开始回归到一个新的安全状态（态（O点） 8/16/202416安全第一，预防为主三、安全流变三、安全流变—突变的基本理论突变的基本理论（一）安全流变（一）安全流变—突变的基本概念突变的基本概念（二）安全流变（二）安全流变—突变的理论模型突变的理论模型（三）安全流变（三）安全流变—突变的数学模型突变的数学模型8/16/202417安全第一，预防为主（一）安全流变（一）安全流变—突变的基本概念突变的基本概念•1、安全科学的状态概念•1) 安全——事物的主体在某一限度内受到损伤的状态，该限度可以根据具体事物对安全度的要求来确定•2) 危险——事物的主体受损伤超过了某一限度的状态•3) 事故——事物的损伤量达到极限值而发生的原事物的局部或整体秩序紊乱与瓦解状态 自然界的事故状态称为灾害8/16/202418安全第一，预防为主（一）安全流变（一）安全流变—突变的基本概念突变的基本概念•2、安全科学的本质概念•1) 损伤——事物在内、外因作用下随时间的破坏量•2）安全度——描述事物保持安全状态的概率值，S=1-Sb, Sb表示事物可能发生事故状态的概率,即是危险度。

•3）寿命极限——事物仅在内因作用下损伤量达到极限值的时间， 或事物从诞生经理想环境过渡到事故发生所经历的时间•4）系统——进行安全状态研究的对象，是一个或多个事物的集合8/16/202419安全第一，预防为主（一）安全流变（一）安全流变—突变的基本概念突变的基本概念•3、安全科学的过程概念•1) 秩序——事物自身的组成、结构和内部运行规律•2) 安全突变——事物从危险状态到事故状态的质变过程•3) 安全流变——事物的损伤量随时间变化的量变过程8/16/202420安全第一，预防为主•安全损伤（安全损伤（e）：）：事物在内外因的作用下随时间的破坏量事物在内外因的作用下随时间的破坏量 • 安全外因：安全外因：影响事物安全程度的外部因素，指事物周围影响事物安全程度的外部因素，指事物周围所有对事物本身有影响的集合作所有对事物本身有影响的集合作•安全内因：安全内因：影响事物安全程度的内部因素，指事物内部结影响事物安全程度的内部因素，指事物内部结构、组成、形态等相互作用、相互影响的集合作构、组成、形态等相互作用、相互影响的集合作 •安全能：安全能：由事物的状态决定，反映事物运动形态变化的可由事物的状态决定，反映事物运动形态变化的可能性，是事物安全质变和变形的公共度量。

能性，是事物安全质变和变形的公共度量 •安全熵：安全熵：促使事物向负效应方向转变的量度促使事物向负效应方向转变的量度•安全功：安全功：是过程特征参量，反映事物状态变化的是过程特征参量，反映事物状态变化的•度量  8/16/202421安全第一，预防为主• 损伤的滞后效应：损伤的滞后效应：当作用于事物的能量对事物损当作用于事物的能量对事物损伤做功时，本质损伤不会立即出现，而产生一个伤做功时，本质损伤不会立即出现，而产生一个弹性前效；当对损伤做功的能量消失后，损伤不弹性前效；当对损伤做功的能量消失后，损伤不会立即停止，而还要延迟一段时间，这两个时间会立即停止，而还要延迟一段时间，这两个时间对安全预测很重要对安全预测很重要•安全势：安全势：指事物从一状态向另一状态转化的能力指事物从一状态向另一状态转化的能力大小和趋势，是一种可能性的表述大小和趋势，是一种可能性的表述• 安全潜力势：安全潜力势：指事物达到安全最佳状态或理想状指事物达到安全最佳状态或理想状态的能力大小和趋势态的能力大小和趋势•潜力损伤势：潜力损伤势：是指在事物的不断发展过程中，对是指在事物的不断发展过程中，对事物达到安全最佳状态的能力和趋势损伤程度的事物达到安全最佳状态的能力和趋势损伤程度的反映。

反映 8/16/202422安全第一，预防为主（二）安全流变（二）安全流变—突变的理论模型突变的理论模型8/16/202423安全第一，预防为主•1、物理模型：在对事物的 安全流变—突变 特征有了定性认识的基础上,下面建立安全流变—突变的物理模型•四组基本元件：•1）安全可逆元件）安全可逆元件2）安全阻尼元件）安全阻尼元件3）安全摩擦件）安全摩擦件4）安）安全质量体全质量体•五个层次：五个层次：•1）外界广义力区）外界广义力区•2）可立即恢复损伤区）可立即恢复损伤区•3）可缓慢恢复损伤区）可缓慢恢复损伤区•4）本质损伤区）本质损伤区•5）本质损伤加速区）本质损伤加速区8/16/202424安全第一，预防为主•1）安全可逆元件：在外界广义力作用下发生安全）安全可逆元件：在外界广义力作用下发生安全损伤变形，变形量遵循胡克定律，变形量的安全损伤变形，变形量遵循胡克定律，变形量的安全意义是可恢复安全损伤，用表意义是可恢复安全损伤，用表        示•式中式中 ：：•      为可修复损伤广义作用力；为可修复损伤广义作用力；•      为表征事物可修复损伤过程的系数；为表征事物可修复损伤过程的系数；•      为可修复损伤。

为可修复损伤基本元件特征基本元件特征8/16/202425安全第一，预防为主基本元件特征基本元件特征•2）安全阻尼元件：在外界力作用下发生安全损伤，）安全阻尼元件：在外界力作用下发生安全损伤，安全损伤速度与力成正比安全阻尼元件用安全损伤速度与力成正比安全阻尼元件用                表示                                                    •式中式中 ：：•     为引起永久损伤的广义力；为引起永久损伤的广义力；    •     为反映永久损伤过程的系数，表征事物永久损为反映永久损伤过程的系数，表征事物永久损伤形成程度的系数；伤形成程度的系数；•     为永久损伤为永久损伤8/16/202426安全第一，预防为主基本元件特征基本元件特征•3）安全摩擦件：）安全摩擦件：    =常数，用常数，用                 表示•    反映了事物抵抗外界影响的容度，当外界影响反映了事物抵抗外界影响的容度，当外界影响小时，事物内部的系统不损伤，摩擦件对系统起小时，事物内部的系统不损伤，摩擦件对系统起一个保护作用，相当于保护层；当外界影响大时，一个保护作用，相当于保护层；当外界影响大时，摩擦件开始运动产生永久损伤。

摩擦件开始运动产生永久损伤8/16/202427安全第一，预防为主基本元件特征基本元件特征•4）安全质量体：用）安全质量体：用         表示元件表示元件•    该元件可以想象为具有一定质量的物体，但它的质量随该元件可以想象为具有一定质量的物体，但它的质量随损伤的增大而不断衰减当外界的作用力大于初始摩擦力损伤的增大而不断衰减当外界的作用力大于初始摩擦力时，质量体可以运动，并且服从牛顿阻力定律，由于质量时，质量体可以运动，并且服从牛顿阻力定律，由于质量体质量不断减小，即使外界作用力不变，质量体的运动也体质量不断减小，即使外界作用力不变，质量体的运动也要呈现加速趋势要呈现加速趋势•质量体在安全科学中的意义是安全的边界密度，当外界或质量体在安全科学中的意义是安全的边界密度，当外界或内部作用小时，质量体不运动，其他元件工作，系统只形内部作用小时，质量体不运动，其他元件工作，系统只形成大量的可恢复损伤和小部分永久损伤，系统的本质特征成大量的可恢复损伤和小部分永久损伤，系统的本质特征不会受影响；当外界或内部作用大时，质量体开始滑动，不会受影响；当外界或内部作用大时，质量体开始滑动，形成稳定的不可恢复的损伤，经过一段时间或一定的永久形成稳定的不可恢复的损伤，经过一段时间或一定的永久损伤后，安全边界密度值降低，内部永久损伤形成加速之损伤后，安全边界密度值降低，内部永久损伤形成加速之势。

势8/16/202428安全第一，预防为主安全流变安全流变-突变换型的五个层次突变换型的五个层次•l）外界广义力区）外界广义力区S•    一切外部对事物有影响作用的总称，它通过事一切外部对事物有影响作用的总称，它通过事物内部而对事物起作用物内部而对事物起作用•当对于同一事物外界变化范围不大时，可以认为当对于同一事物外界变化范围不大时，可以认为是相同的力作用，如研究人的寿命规律时，外部是相同的力作用，如研究人的寿命规律时，外部环境较稳定，生理、心理变化不大，可以按定常环境较稳定，生理、心理变化不大，可以按定常力作用下分析力作用下分析8/16/202429安全第一，预防为主•2）可立即恢复损伤区）可立即恢复损伤区•    第一保护区，它由一个安全可逆元件构成，能第一保护区，它由一个安全可逆元件构成，能对外界作用立即形成反应，把作用能以可恢复损对外界作用立即形成反应，把作用能以可恢复损伤的形式存储起来，一旦外界作用消失，对事物伤的形式存储起来，一旦外界作用消失，对事物的危险势也立即消失的危险势也立即消失 8/16/202430安全第一，预防为主•3）可缓慢恢复损伤区）可缓慢恢复损伤区•    第二保护区，由安全阻尼和安全可逆两元件组第二保护区，由安全阻尼和安全可逆两元件组成，它的特点是对作用力不能立即引起应有的损成，它的特点是对作用力不能立即引起应有的损伤，有个时间滞后段，当外力消失后损失不能立伤，有个时间滞后段，当外力消失后损失不能立即恢复，而是经过一段时间缓慢回复到原始位置。

即恢复，而是经过一段时间缓慢回复到原始位置 8/16/202431安全第一，预防为主•4）本质损伤区）本质损伤区•    事物内部不可修复的损伤区，由安全阻尼和摩事物内部不可修复的损伤区，由安全阻尼和摩擦件组成当传到本质区的作用力较小时，摩擦擦件组成当传到本质区的作用力较小时，摩擦件相当于一个保护事物的强度元件，抵抗外部的件相当于一个保护事物的强度元件，抵抗外部的作用力量，而不产生事物的本质损伤；当传到本作用力量，而不产生事物的本质损伤；当传到本质区的作用力较大时，摩擦件消耗一部分外力，质区的作用力较大时，摩擦件消耗一部分外力，把剩余的力作用于阻尼元件，形成本质损伤把剩余的力作用于阻尼元件，形成本质损伤8/16/202432安全第一，预防为主•5）本质损伤加速区）本质损伤加速区•    本质损伤加速区由质量体元件构成，是描述事物损伤开本质损伤加速区由质量体元件构成，是描述事物损伤开始加速的元件，如果外界作用超过某一定值，就会引起内始加速的元件，如果外界作用超过某一定值，就会引起内部本质损伤加速元件运动它能消化或吸收一部分外界作部本质损伤加速元件运动它能消化或吸收一部分外界作用，一开始它的消化或吸收能力为一定值，但运行一段时用，一开始它的消化或吸收能力为一定值，但运行一段时间后，安全质量体的质量随时间不断减小，是损伤的单调间后，安全质量体的质量随时间不断减小，是损伤的单调递减函数，即使在外界作用力不变的情况下，质量体形成递减函数，即使在外界作用力不变的情况下，质量体形成的损伤也要加速。

由于质量体的不断减小，保护事物免受的损伤也要加速由于质量体的不断减小，保护事物免受加速损伤的能力逐渐降低，大量的外界力作用于事物的本加速损伤的能力逐渐降低，大量的外界力作用于事物的本质损伤加速区，事物的损伤速度越来越快，损伤程度越来质损伤加速区，事物的损伤速度越来越快，损伤程度越来越大，直到整个事物完全破坏越大，直到整个事物完全破坏8/16/202433安全第一，预防为主•2、数学模型、数学模型•在物理模型的基础上，我们建立数学模型：在物理模型的基础上，我们建立数学模型：8/16/202434安全第一，预防为主8/16/202435安全第一，预防为主8/16/202436安全第一，预防为主损伤：损伤：损伤：损伤：损伤速度：损伤速度：损伤速度：损伤速度：损伤加速度损伤加速度损伤加速度损伤加速度::8/16/202437安全第一，预防为主在日常生活中，许多安全问题可以简化为两组元件的模型图，在日常生活中，许多安全问题可以简化为两组元件的模型图，即第二与第四组元件共同构成事物的安全流变即第二与第四组元件共同构成事物的安全流变- -突变模型突变模型第一和第三组元件随时间变化关系比较稳定，可以认为是常第一和第三组元件随时间变化关系比较稳定，可以认为是常数，它们的图形见图数，它们的图形见图1 1－－1515，从图中可以清晰地看出用第二，从图中可以清晰地看出用第二与第四组元件就可描述事物的流变状态。

与第四组元件就可描述事物的流变状态8/16/202438安全第一，预防为主本章小结本章小结1 1、安全科学的发展历程安全科学的发展历程2 2、安全科学的哲学特征安全科学的哲学特征3 3、布尔代数、概率运算、可靠性在安全工程中的应、布尔代数、概率运算、可靠性在安全工程中的应用4 4、安全的流变、安全的流变- -突变规律，并应用其解释事故的灾害突变规律，并应用其解释事故的灾害过程8/16/202439安全第一，预防为主。