新编安全工程学1.5安全科学的流变突变规律课件

1、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一、流变突变理论的背景知识二、安全流变突变的基本特征三、安全流变突变的基本理论四、安全流变突变理论的应用研究8/7/20222安全第一，预防为主一、流变突变理论的背景知识“流变” （Rheology）一词来源于古希腊，意即万物皆流，万物皆变。“突变” （Mutation）有彻底改变的意思，最初是1968年Thom在结构稳定性和形态发生学著作中提出的。表示事物发生了具有质的彻底改变。流变、突变综合起来形成了流变突变理论，描述了事物从诞生发展消亡的全部过程。8/7/20223安全第一，预防为主（一） 流变突变理论的物质观质中不仅包含定性

2、的质，而且包含定量的质。物质世界在不断流变中突变。8/7/20224安全第一，预防为主（二） 流变突变理论的时空观一个事物的空间广延性和时间持续性是该事物的一种内在属性，同其它事物进行对比必须在同一个时空中。 一切流变突变现象离不开空间内物质的相互作用。8/7/20225安全第一，预防为主（三） 流变突变理论的运动观事物的属性是在流变突变中显示出来的。流变突变是一事物向另一事物转变的流程。8/7/20226安全第一，预防为主二、安全流变突变的基本特征“安全流变与突变”就是事物在发展过程中安全与危险的矛盾运动过程。这一矛盾运动决定了各个阶段的安全状态。下面以一些典型例子说明“安全流变与突变”的基

3、本特征。（一）矿山灾害（二）机械事故（三）社会变革（四）人的衰亡过程（五）安全流变突变论8/7/20227安全第一，预防为主（一）矿山灾害1自燃火灾OA段：煤与氧气开始 接触氧化AB段：氧化速度减慢， 氧化程度加深 BD段：氧化速度加快D点：发生自燃火灾C点：人为设置的报警点8/7/20228安全第一，预防为主（一）矿山灾害2. 冒顶OA段：刚掘出新巷道 变形速度递减段AB段：稳定段BD段：围岩压力等条件变化，变形速度加快，发生冒顶8/7/20229安全第一，预防为主（一）矿山灾害3 煤与瓦斯突出OA段：损伤减速增加 阶段AB段：损伤稳定发展 阶段BC段：损伤加速段CD段：灾害发展阶段8/7/

4、202210安全第一，预防为主（二）机械事故OA段：初期零部件跑 合磨损段AB段：恒速磨损老化段BC段：与元器件寿命相关的加速磨损老化段C点：为机器临界磨损老化量。8/7/202211安全第一，预防为主（三） 社会变革或改革纵轴表示矛盾的激化程度OA段：新秩序建立过程中矛盾逐渐缓和阶段AB段：新秩序建立后矛盾的稳定发展阶段BC段：旧的管理体制阻碍生产力发展后的矛盾加剧阶段 C点：矛盾激化程度的突变点。8/7/202212安全第一，预防为主（四）人的衰亡过程1.人的生命过程纵轴表示人体的衰老程度OA段：生命诞生到青春期阶段AB段：青春期到老年期阶段BC段：人体进入老年期的加速衰老阶段 C点：生命

5、衰亡的临界值8/7/202213安全第一，预防为主（四）人的衰亡过程2.人的伤亡过程 纵轴表示人体伤亡事故发生概率OA段：人体进入工作环境认识工作对象的过程AB段：熟悉环境后伤亡事故概率稳定增加阶段BC段：一些客观导致危险度增大阶段C点：危险度的临界值8/7/202214安全第一，预防为主（五）安全流变突变论综上所述，安全危险这一矛盾运动贯穿于事物存在的始终。并且受到内在因素和外在因素的制约。研究事物的流变突变运动，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到安全流变突变的基本规律，然后再考虑外在因素的影响。8/7/202215安全第一，预防为主事物“安全流变与突变”的全过程为

6、：当某一新事物诞生后的初期（OA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。当新秩序发展到成熟阶段时（AB阶段），完善的新秩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态（O点）。 8/7/202216安全第一，预防为主三、安全流变突变的基本理论（一）安全流变突变的基本概念（二）安全流变突变的理论模型（三）安全流变突变的数学模型8/7/202217安全第一，预防为主（一）安全流变突变的

7、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。8/7/202218安全第一，预防为主（一）安全流变突变的基本概念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

8、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。8/7/202219安全第一，预防为主（一）安全流变突变的基本概念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8/7/202220安全第一，预防为主安全损伤（e）：事物在内外因的作用下随时间的破坏量。 安全外因：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。安全内因：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。 安全能：由事物的状态决定，反映事物

9、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。 安全熵：促使事物向负效应方向转变的量度。安全功：是过程特征参量，反映事物状态变化的度量。 8/7/202221安全第一，预防为主 损伤的滞后效应：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，这两个时间对安全预测很重要。安全势：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。 安全潜力势：指事物达到安全最佳状态或理想状态的能力大小和趋势潜力损伤势：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反映。

10、8/7/202222安全第一，预防为主（二）安全流变突变的理论模型8/7/202223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2）安全阻尼元件3）安全摩擦件4）安全质量体五个层次：1）外界广义力区2）可立即恢复损伤区3）可缓慢恢复损伤区4）本质损伤区5）本质损伤加速区8/7/202224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 示。式中 ： 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；

11、为可修复损伤。基本元件特征8/7/202225安全第一，预防为主基本元件特征2）安全阻尼元件：在外界力作用下发生安全损伤，安全损伤速度与力成正比。安全阻尼元件用 表示。 式中 ： 为引起永久损伤的广义力； 为反映永久损伤过程的系数，表征事物永久损伤形成程度的系数； 为永久损伤。8/7/202226安全第一，预防为主基本元件特征3）安全摩擦件： =常数，用 表示。 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。8/7/202227安全第一，预防为主基本元件特征4）安全质量体：用 表示元件。

12、 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损伤后，安全边界密度值降低，内部永久损伤形成加速之势。8/7/202228安全第一，预防为主安全流变-突变换型的五个层次l）外界广义力

13、区S 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。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，外部环境较稳定，生理、心理变化不大，可以按定常力作用下分析。8/7/202229安全第一，预防为主2）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，对事物的危险势也立即消失。 8/7/202230安全第一，预防为主3）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即

14、恢复，而是经过一段时间缓慢回复到原始位置。 8/7/202231安全第一，预防为主4）本质损伤区 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。8/7/202232安全第一，预防为主5）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，损伤程度越来越大，直到整个事物完全破坏。8/7/202233安全第一，预防为主2、数学模型在物理模型的基础上，我们建立数学模型：8/7/202234安全第一，预防为主8/7/202235安全第一，预防为主8/7/202236安全第一，预防为主损伤：损伤速度：损伤加速度:8/7/202237安全第一，预防为主在日常生活中