1、安全第一，预防为主河南理工大学安全学院安全教研室河南理工大学安全学院安全教研室第五节 安全科学的流变突变规律 安全第一，预防为主2022-12-202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安全第一，预防为主2022-12-203一、流变一、流变突变理论的背景知识突变理论的背景知识“流变流变”（Rheology）一词来源于古希腊，意即一词来源于古希腊，意即万物皆流，万物皆变。万物皆流，万物皆变。“
2、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在在结构稳定性和形态发生学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2022-12-204（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
3、流变中突变。安全第一，预防为主2022-12-205（二）（二）流变流变突变理论的时空观突变理论的时空观 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。用。安全第一，预防为主2022-12-206（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
4、物向另一事物转变的流程。安全第一，预防为主2022-12-207二、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与事物在发展过程中安全与危险的矛盾运动过程。危险的矛盾运动过程。这一矛盾运动决定了各个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阶段的安全状态。下面以一些典型例子说明“安安全流变与突变全流变与突变”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安全第一，预防为主2022-12-208（一）矿山
5、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DD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：人为设置的报警点安全第一，预防为主2022-12-209（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 变形速度递减段变形速度递减段ABAB段：稳定段段：稳定段BDBD段：围岩压力等条件段：围岩压力等条件变化，变形速度加快，变化，变形速度加快，发生冒顶发生冒顶安全第一，预防为主2022-12-2
6、010（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：灾害发展阶段安全第一，预防为主2022-12-2011（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。安全第一，预防为主2022-12-2012（三）
7、（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：新秩序建立过程段：新秩序建立过程中矛盾逐渐缓和阶段中矛盾逐渐缓和阶段AB段：新秩序建立后矛段：新秩序建立后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。变点。安全第一，预防为主2022-12-2013（四）（四）人的衰亡过程人的衰亡过程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：生命诞生到青春段：生命诞生到青春期阶段期阶段AB段：青春期到老年
8、期段：青春期到老年期阶段阶段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：生命衰亡的临界值安全第一，预防为主2022-12-2014（四）（四）人的衰亡过程人的衰亡过程2.人的伤亡过程人的伤亡过程 纵轴表示人体伤亡事故纵轴表示人体伤亡事故发生概率发生概率OA段：人体进入工作环段：人体进入工作环境认识工作对象的过程境认识工作对象的过程AB段：熟悉环境后伤亡段：熟悉环境后伤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：危险度的临界值安全第一，预防为主2022-12-
9、2015（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。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。安全第一，预防为主2022-12-2016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
10、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）。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，
11、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）。点）。安全第一，预防为主2022-12-2017三、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安全第一，预防为主2022-12-2018（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
12、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2022-12-2019（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
13、多个事物的集合。安全第一，预防为主2022-12-2020（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安全第一，预防为主2022-12-2021 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
14、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。度量。安全第一，预防为主2022-12-2022 损伤的滞后效应：损伤的滞后效应：当作
15、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
16、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。安全第一，预防为主2022-12-2023（二）安全流变（二）安全流变突变的理论模型突变的理论模型安全第一，预防为主2022-12-2024 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
17、 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2022-12-2025 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。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HHk
18、eS2HSkHe安全第一，预防为主2022-12-2026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。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。NNeS2NSNe安全第一，预防为主2022-12-2027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
19、示。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。3f3f安全第一，预防为主2022-12-2028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
20、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
21、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。安全第一，预防为主2022-12-2029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
22、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。安全第一，预防为主2022-12-2030 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。安全第
23、一，预防为主2022-12-2031 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。安全第一，预防为主2022-12-2032 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
24、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。安全第一，预防为主2022-12-2033 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
25、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
26、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。安全第一，预防为主2022-12-2034 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：安全第一，预防为主2022-12-2035安全第一，预防为主2022-12-2036安全第一，预防为主2022-12-20374332221)exp(1 2etfStkkSkSe433222)exp(2efStkSe42222)exp(2 e
27、tkSe损伤：损伤：损伤速度：损伤速度：损伤加速度损伤加速度:安全第一，预防为主2022-12-2038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 11515，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。安全第一，预防为主2022-12-2039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。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。过程。
