安全科学的流变突变规律

1、安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/81 本节主要内容本节主要内容 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 安全第一，预防为主 2020/4/82 一、流变突变理论的背景知识 ? “流变流变” （Rheology ）一词来源于古希腊，意 一词来源于古希腊，意 即万物皆流，万物皆变。即万物皆流，万物皆变。 ? “突变突变” （Mutation ）有彻底改变的意思，最初 有彻底改变的意思，最初 是是1968年年Thom 在结构稳定性和形态发生学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

2、底改著作中提出的。表示事物发生了具有质的彻底改 变。变。 ? 流变、突变综合起来形成了流变流变、突变综合起来形成了流变突变理论，描突变理论，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。 安全第一，预防为主 2020/4/83 （一）流变突变理论的物质观 ? 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。 安全第一，预防为主 2020/4/84 （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

3、其它事物进行对比必须在同一一种内在属性，同其它事物进行对比必须在同一 个时空中。个时空中。 ? 一切流变一切流变突变现象离不开空间内物质的相互作突变现象离不开空间内物质的相互作 用。 安全第一，预防为主 2020/4/85 （三）流变突变理论的运动观 ? 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。 安全第一，预防为主 2020/4/86 二、 安全流变突变的基本特征 ? “安全流变与突变安全流变与突变”就是就是 事物在发展过程中安全 事物在发展过程中安全 与危险的矛盾运动过程。 这一

4、矛盾运动决定了各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 “安全流变与突变安全流变与突变”的基本特征。的基本特征。 （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 安全第一，预防为主 2020/4/87 （一）矿山灾害（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 安全第一，预防为主 2020/4/88 （一）矿山灾害（一）矿山灾害 2. 冒顶 OA段：刚掘出新巷道 变形速度递

5、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 安全第一，预防为主 2020/4/89 （一）矿山灾害（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 安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/810 （二）机械事故（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。 安全第一，预防为主 2020/4/811 （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

6、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。 安全第一，预防为主 2020/4/812 （四）人的衰亡过程（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：生命衰亡的临界值 安全第一，预防为主 2020/4/813 （四）人的衰亡过程（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

7、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 安全第一，预防为主 2020/4/814 （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。 安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/815 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（OA阶段），其损伤量随 时间呈减速递增

8、，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）。 安全第一，预防为主 2020/4/816 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 安全第一，预防为主 2020/4/817 （一）安全流变突变的基本概念 ? 1

9、、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。 安全第一，预防为主 2020/4/818 （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-S b, 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

10、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。 安全第一，预防为主 2020/4/819 （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 安全第一，预防为主 2020/4/820 ? 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。 ?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 所有对事物本身有影响

11、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 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。 安全第一，预防为主 2020/4/821 ? 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：安全势：指事物从一状

12、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。 安全第一，预防为主 2020/4/822 （二）安全流变突变的理论模型 安全第一，预防为主 2020/4/823 ? 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 全质量体 ? 五个层次： ? 1）外

13、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 安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/824 ? 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； ?为可修复损伤。 基本元件特征基本元件特征 HH keS2? H S k H e 安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/825 基本元件

14、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。 NN eS?2? N S ? N e 安全第一，预防为主安全第一，预防为主 2020/4/826 基本元件特征基本元件特征 ? 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。 3 f 3 f 安全第一，预防为主

15、安全第一，预防为主 2020/4/827 基本元件特征基本元件特征 ? 4）安全质量体：用表示元件。 ?该元件可以想象为具有一定质量的物体，但它的质量随 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，

16、安全边界密度值降低，内部永久损伤形成加速之 势。 安全第一，预防为主 2020/4/828 安全流变-突变换型的五个层次 ? l）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 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 环境较稳定，生理、心理变化不大，可以按定常 力作用下分析。 安全第一，预防为主 2020/4/829 ? 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，

17、对事物 的危险势也立即消失。 安全第一，预防为主 2020/4/830 ? 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 即恢复，而是经过一段时间缓慢回复到原始位置。 安全第一，预防为主 2020/4/831 ? 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。

18、安全第一，预防为主 2020/4/832 ? 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。 安全第一，预防为主 2020/4/833 ? 2、数学模型 ? 在物理模型的基础上，我们建立数学模型： 安全