安全科學(xué)的流變突變規(guī)律市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第五節(jié)安全科學(xué)流變—突變規(guī)律安全第一，預(yù)防為主第1頁(yè)本節(jié)主要內(nèi)容一、流變—突變理論背景知識(shí)二、安全流變—突變基本特征三、安全流變—突變基本理論四、安全流變—突變理論應(yīng)用研究5/7/20242安全第一，預(yù)防為主第2頁(yè)一、流變—突變理論背景知識(shí)“流變”（Rheology）一詞起源于古希臘，意即萬(wàn)物皆流，萬(wàn)物皆變?！巴蛔儭保∕utation）有徹底改變意思，最初是1968年Thom在《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》著作中提出。表示事物發(fā)生了含有質(zhì)徹底改變。流變、突變綜合起來(lái)形成了流變—突變理論，描述了事物從誕生—發(fā)展—消亡全部過(guò)程。5/7/20243安全第一，預(yù)防為主第3頁(yè)（一）

流變—突變理論物質(zhì)觀質(zhì)中不但包含定性質(zhì)，而且包含定量質(zhì)。物質(zhì)世界在不停流變中突變。5/7/20244安全第一，預(yù)防為主第4頁(yè)（二）

流變—突變理論時(shí)空觀

一個(gè)事物空間廣延性和時(shí)間連續(xù)性是該事物一個(gè)內(nèi)在屬性，同其它事物進(jìn)行對(duì)比必須在同一個(gè)時(shí)空中。一切流變—突變現(xiàn)象離不開(kāi)空間內(nèi)物質(zhì)相互作用。5/7/20245安全第一，預(yù)防為主第5頁(yè)（三）

流變—突變理論運(yùn)動(dòng)觀

事物屬性是在流變—突變中顯示出來(lái)。流變—突變是一事物向另一事物轉(zhuǎn)變流程。5/7/20246安全第一，預(yù)防為主第6頁(yè)二、

安全流變—突變基本特征“安全流變與突變”就是事物在發(fā)展過(guò)程中安全與危險(xiǎn)矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這一矛盾運(yùn)動(dòng)決定了各個(gè)階段安全狀態(tài)。下面以一些經(jīng)典例子說(shuō)明“安全流變與突變”基本特征。（一）礦山災(zāi)害（二）機(jī)械事故（三）社會(huì)變革（四）人衰亡過(guò)程（五）安全流變—突變論5/7/20247安全第一，預(yù)防為主第7頁(yè)（一）礦山災(zāi)害1．自燃火災(zāi)OA段：煤與氧氣開(kāi)始接觸氧化AB段：氧化速度減慢，氧化程度加深BD段：氧化速度加緊D點(diǎn)：發(fā)生自燃火災(zāi)C點(diǎn)：人為設(shè)置報(bào)警點(diǎn)5/7/20248安全第一，預(yù)防為主第8頁(yè)（一）礦山災(zāi)害2.冒頂OA段：剛掘出新巷道變形速度遞減段AB段：穩(wěn)定段BD段：圍巖壓力等條件改變，變形速度加緊，發(fā)生冒頂5/7/20249安全第一，預(yù)防為主第9頁(yè)（一）礦山災(zāi)害3．

煤與瓦斯突出OA段：損傷減速增加階段AB段：損傷穩(wěn)定發(fā)展階段BC段：損傷加速段CD段：災(zāi)害發(fā)展階段5/7/202410安全第一，預(yù)防為主第10頁(yè)（二）機(jī)械事故OA段：早期零部件跑合磨損段AB段：恒速磨損老化段BC段：與元器件壽命相關(guān)加速磨損老化段C點(diǎn)：為機(jī)器臨界磨損老化量。5/7/202411安全第一，預(yù)防為主第11頁(yè)（三）

社會(huì)變革或改革縱軸表示矛盾激化程度OA段：新秩序建立過(guò)程中矛盾逐步緩解階段AB段：新秩序建立后矛盾穩(wěn)定發(fā)展階段BC段：舊管理體制妨礙生產(chǎn)力發(fā)展后矛盾加劇階段

C點(diǎn)：矛盾激化程度突變點(diǎn)。5/7/202412安全第一，預(yù)防為主第12頁(yè)（四）人衰亡過(guò)程1.人生命過(guò)程縱軸表示人體衰老程度OA段：生命誕生到青春期階段AB段：青春期到老年期階段BC段：人體進(jìn)入老年期加速衰老階段

C點(diǎn)：生命衰亡臨界值5/7/202413安全第一，預(yù)防為主第13頁(yè)（四）人衰亡過(guò)程2.人傷亡過(guò)程縱軸表示人體傷亡事故發(fā)生概率OA段：人體進(jìn)入工作環(huán)境認(rèn)識(shí)工作對(duì)象過(guò)程AB段：熟悉環(huán)境后傷亡事故概率穩(wěn)定增加階段BC段：一些客觀造成危險(xiǎn)度增大階段C點(diǎn)：危險(xiǎn)度臨界值5/7/202414安全第一，預(yù)防為主第14頁(yè)（五）安全流變—突變論總而言之，安全—危險(xiǎn)這一矛盾運(yùn)動(dòng)貫通于事物存在一直。而且受到內(nèi)在原因和外在原因制約。研究事物流變—突變運(yùn)動(dòng)，必須從危險(xiǎn)原因中找到內(nèi)在原因，經(jīng)過(guò)研究?jī)?nèi)在原因改變規(guī)律得到安全流變—突變基本規(guī)律，然后再考慮外在原因影響。5/7/202415安全第一，預(yù)防為主第15頁(yè)事物“安全流變與突變”全過(guò)程為：當(dāng)某一新事物誕生后早期（OA階段），其損傷量隨時(shí)間呈減速遞增，新秩序在此期間逐步形成和完善。當(dāng)新秩序發(fā)展到成熟階段時(shí)（AB階段），完善新秩序使損傷量勻速遲緩增加。經(jīng)過(guò)一個(gè)穩(wěn)定增加時(shí)期后，原秩序?qū)⒃俅蜗驘o(wú)序方向發(fā)展，進(jìn)而使損傷量值開(kāi)始加速增大（BC段）。任何事物都含有其固有損傷量承受能力界限，超出此限后，事物將發(fā)生安全突變。當(dāng)原秩序破壞后，事物又開(kāi)始回歸到一個(gè)新安全狀態(tài)（O點(diǎn)）。

5/7/202416安全第一，預(yù)防為主第16頁(yè)三、安全流變—突變基本理論（一）安全流變—突變基本概念（二）安全流變—突變理論模型（三）安全流變—突變數(shù)學(xué)模型5/7/202417安全第一，預(yù)防為主第17頁(yè)（一）安全流變—突變基本概念1、安全科學(xué)狀態(tài)概念1)安全——事物主體在某一程度內(nèi)受到損傷狀態(tài)，該程度能夠依據(jù)詳細(xì)事物對(duì)安全度要求來(lái)確定。2)危險(xiǎn)——事物主體受損傷超出了某一程度狀態(tài)。3)事故——事物損傷量到達(dá)極限值而發(fā)生原事物局部或整體秩序紊亂與瓦解狀態(tài)。自然界事故狀態(tài)稱(chēng)為災(zāi)害。5/7/202418安全第一，預(yù)防為主第18頁(yè)（一）安全流變—突變基本概念2、安全科學(xué)本質(zhì)概念1)損傷——事物在內(nèi)、外因作用下隨時(shí)間破壞量2）安全度——描述事物保持安全狀態(tài)概率值，S=1-Sb,Sb表示事物可能發(fā)生事故狀態(tài)概率,即是危險(xiǎn)度。3）壽命極限——事物僅在內(nèi)因作用下?lián)p傷量到達(dá)極限值時(shí)間，或事物從誕生經(jīng)理想環(huán)境過(guò)渡到事故發(fā)生所經(jīng)歷時(shí)間。4）系統(tǒng)——進(jìn)行安全狀態(tài)研究對(duì)象，是一個(gè)或多個(gè)事物集合。5/7/202419安全第一，預(yù)防為主第19頁(yè)（一）安全流變—突變基本概念3、安全科學(xué)過(guò)程概念1)秩序——事物本身組成、結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律2)安全突變——事物從危險(xiǎn)狀態(tài)到事故狀態(tài)質(zhì)變過(guò)程3)安全流變——事物損傷量隨時(shí)間改變量變過(guò)程5/7/202420安全第一，預(yù)防為主第20頁(yè)安全損傷（e）：事物在內(nèi)外因作用下隨時(shí)間破壞量。安全外因：影響事物安全程度外部原因，指事物周?chē)繉?duì)事物本身有影響集合作。安全內(nèi)因：影響事物安全程度內(nèi)部原因，指事物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、形態(tài)等相互作用、相互影響集合作。安全能：由事物狀態(tài)決定，反應(yīng)事物運(yùn)動(dòng)形態(tài)改變可能性，是事物安全質(zhì)變和變形公共度量。安全熵：促使事物向負(fù)效應(yīng)方向轉(zhuǎn)變量度。安全功：是過(guò)程特征參量，反應(yīng)事物狀態(tài)改變度量。5/7/202421安全第一，預(yù)防為主第21頁(yè)損傷滯后效應(yīng)：看成用于事物能量對(duì)事物損傷做功時(shí)，本質(zhì)損傷不會(huì)馬上出現(xiàn)，而產(chǎn)生一個(gè)彈性前效；當(dāng)對(duì)損傷做功能量消失后，損傷不會(huì)馬上停頓，而還要延遲一段時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間對(duì)安全預(yù)測(cè)很主要。安全勢(shì)：指事物從一狀態(tài)向另一狀態(tài)轉(zhuǎn)化能力大小和趨勢(shì)，是一個(gè)可能性表述。安全潛力勢(shì)：指事物到達(dá)安全最正確狀態(tài)或理想狀態(tài)能力大小和趨勢(shì)潛力損傷勢(shì)：是指在事物不停發(fā)展過(guò)程中，對(duì)事物到達(dá)安全最正確狀態(tài)能力和趨勢(shì)損傷程度反應(yīng)。5/7/202422安全第一，預(yù)防為主第22頁(yè)（二）安全流變—突變理論模型5/7/202423安全第一，預(yù)防為主第23頁(yè)1、物理模型：在對(duì)事物安全流變—突變特征有了定性認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上,下面建立安全流變—突變物理模型。四組基本元件：1）安全可逆元件2）安全阻尼元件3）安全摩擦件4）安全質(zhì)量體五個(gè)層次：1）外界廣義力區(qū)2）可馬上恢復(fù)損傷區(qū)3）可遲緩恢復(fù)損傷區(qū)4）本質(zhì)損傷區(qū)5）本質(zhì)損傷加速區(qū)5/7/202424安全第一，預(yù)防為主第24頁(yè)1）安全可逆元件：在外界廣義力作用下發(fā)生安全損傷變形，變形量遵照胡克定律，變形量安全意義是可恢復(fù)安全損傷，用表示。式中：為可修復(fù)損傷廣義作用力；為表征事物可修復(fù)損傷過(guò)程系數(shù)；為可修復(fù)損傷?；驹卣?/7/202425安全第一，預(yù)防為主第25頁(yè)基本元件特征2）安全阻尼元件：在外界力作用下發(fā)生安全損傷，安全損傷速度與力成正比。安全阻尼元件用表示。

式中：為引發(fā)永久損傷廣義力；為反應(yīng)永久損傷過(guò)程系數(shù)，表征事物永久損傷形成程度系數(shù)；為永久損傷。5/7/202426安全第一，預(yù)防為主第26頁(yè)基本元件特征3）安全摩擦件：=常數(shù)，用表示。反應(yīng)了事物抵抗外界影響容度，當(dāng)外界影響小時(shí)，事物內(nèi)部系統(tǒng)不損傷，摩擦件對(duì)系統(tǒng)起一個(gè)保護(hù)作用，相當(dāng)于保護(hù)層；當(dāng)外界影響大時(shí)，摩擦件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生永久損傷。5/7/202427安全第一，預(yù)防為主第27頁(yè)基本元件特征4）安全質(zhì)量體：用表示元件。該元件能夠想象為含有一定質(zhì)量物體，但它質(zhì)量隨損傷增大而不停衰減。當(dāng)外界作用力大于初始摩擦力時(shí)，質(zhì)量體能夠運(yùn)動(dòng)，而且服從牛頓阻力定律，因?yàn)橘|(zhì)量體質(zhì)量不停減小，即使外界作用力不變，質(zhì)量體運(yùn)動(dòng)也要展現(xiàn)加速趨勢(shì)。質(zhì)量體在安全科學(xué)中意義是安全邊界密度，當(dāng)外界或內(nèi)部作用小時(shí)，質(zhì)量體不運(yùn)動(dòng)，其它元件工作，系統(tǒng)只形成大量可恢復(fù)損傷和小部分永久損傷，系統(tǒng)本質(zhì)特征不會(huì)受影響；當(dāng)外界或內(nèi)部作用大時(shí)，質(zhì)量體開(kāi)始滑動(dòng)，形成穩(wěn)定不可恢復(fù)損傷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間或一定永久損傷后，安全邊界密度值降低，內(nèi)部永久損傷形成加速之勢(shì)。5/7/202428安全第一，預(yù)防為主第28頁(yè)安全流變-突變換型五個(gè)層次l）外界廣義力區(qū)S一切外部對(duì)事物有影響作用總稱(chēng)，它經(jīng)過(guò)事物內(nèi)部而對(duì)事物起作用。當(dāng)對(duì)于同一事物外界改變范圍不大時(shí)，能夠認(rèn)為是相同力作用，如研究人壽命規(guī)律時(shí)，外部環(huán)境較穩(wěn)定，生理、心理改變不大，能夠按定常力作用下分析。5/7/202429安全第一，預(yù)防為主第29頁(yè)2）可馬上恢復(fù)損傷區(qū)第一保護(hù)區(qū)，它由一個(gè)安全可逆元件組成，能對(duì)外界作用馬上形成反應(yīng)，把作用能以可恢復(fù)損傷形式存放起來(lái)，一旦外界作用消失，對(duì)事物危險(xiǎn)勢(shì)也馬上消失。5/7/202430安全第一，預(yù)防為主第30頁(yè)3）可遲緩恢復(fù)損傷區(qū)第二保護(hù)區(qū)，由安全阻尼和安全可逆兩元件組成，它特點(diǎn)是對(duì)作用力不能馬上引發(fā)應(yīng)有損傷，有個(gè)時(shí)間滯后段，當(dāng)外力消失后損失不能馬上恢復(fù)，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間遲緩回復(fù)到原始位置。5/7/202431安全第一，預(yù)防為主第31頁(yè)4）本質(zhì)損傷區(qū)事物內(nèi)部不可修復(fù)損傷區(qū)，由安全阻尼和摩擦件組成。當(dāng)傳到本質(zhì)區(qū)作用力較小時(shí)，摩擦件相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)事物強(qiáng)度元件，抵抗外部作用力量，而不產(chǎn)生事物本質(zhì)損傷；當(dāng)傳到本質(zhì)區(qū)作用力較大時(shí)，摩擦件消耗一部分外力，把剩下力作用于阻尼元件，形成本質(zhì)損傷。5/7/202432安全第一，預(yù)防為主第32頁(yè)5）本質(zhì)損傷加速區(qū)本質(zhì)損傷加速區(qū)由質(zhì)量體元件組成，是描述事物損傷開(kāi)始加速元件，假如外界作用超出某一定值，就會(huì)引發(fā)內(nèi)部本質(zhì)損傷加速元件運(yùn)動(dòng)。它能消化或吸收一部分外界作用，一開(kāi)始它消化或吸收能力為一定值，但運(yùn)行一段時(shí)間后，安全質(zhì)量體質(zhì)量隨時(shí)間不停減小，是損傷單調(diào)遞減函數(shù)，即使在外界作用力不變情況下，質(zhì)量體形成損傷也要加速。因?yàn)橘|(zhì)量體不停減小，保護(hù)事物免受加速損傷能力逐步降低，大量外界力作用于事物本質(zhì)損傷加速區(qū)，事物損傷速度越來(lái)越快，損傷程度越來(lái)越大，直到整個(gè)事物完全破壞。5/7/202433安全第一，預(yù)防為主第33頁(yè)2、數(shù)學(xué)模型在物理模型基礎(chǔ)上，我們建立數(shù)學(xué)模型：5/7/202434安全第一，預(yù)防為主第34頁(yè)5/7/202435安全第一，預(yù)防為主第35頁(yè)5/7/202436安全第一，預(yù)防為主第36頁(yè)損傷：損傷速度：損傷加速度:5/7/202437安全