安全科學(xué)的流變突變規(guī)律市公開課一等獎省賽課微課金獎?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頁本節(jié)主要內(nèi)容一、流變—突變理論背景知識二、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頁一、流變—突變理論背景知識“流變”（Rheology）一詞起源于古希臘，意即萬物皆流，萬物皆變?！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—消亡全部過程。5/7/20243安全第一，預(yù)防為主第3頁（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（二）

流變—突變理論時空觀

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

流變—突變理論運動觀

事物屬性是在流變—突變中顯示出來。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)展過程中安全與危險矛盾運動過程。這一矛盾運動決定了各個階段安全狀態(tài)。下面以一些經(jīng)典例子說明“安全流變與突變”基本特征。（一）礦山災(zāi)害（二）機械事故（三）社會變革（四）人衰亡過程（五）安全流變—突變論5/7/20247安全第一，預(yù)防為主第7頁（一）礦山災(zāi)害1．自燃火災(zāi)OA段：煤與氧氣開始接觸氧化AB段：氧化速度減慢，氧化程度加深BD段：氧化速度加緊D點：發(fā)生自燃火災(zāi)C點：人為設(shè)置報警點5/7/20248安全第一，預(yù)防為主第8頁（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（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（二）機械事故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：為機器臨界磨損老化量。5/7/202411安全第一，預(yù)防為主第11頁（三）

社會變革或改革縱軸表示矛盾激化程度OA段：新秩序建立過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：矛盾激化程度突變點。5/7/202412安全第一，預(yù)防為主第12頁（四）人衰亡過程1.人生命過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：人體進入老年期加速衰老階段

C點：生命衰亡臨界值5/7/202413安全第一，預(yù)防為主第13頁（四）人衰亡過程2.人傷亡過程縱軸表示人體傷亡事故發(fā)生概率OA段：人體進入工作環(huán)境認識工作對象過程AB段：熟悉環(huán)境后傷亡事故概率穩(wěn)定增加階段BC段：一些客觀造成危險度增大階段C點：危險度臨界值5/7/202414安全第一，預(yù)防為主第14頁（五）安全流變—突變論總而言之，安全—危險這一矛盾運動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—突變運動，必須從危險原因中找到內(nèi)在原因，經(jīng)過研究內(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頁事物“安全流變與突變”全過程為：當(dāng)某一新事物誕生后早期（OA階段），其損傷量隨時間呈減速遞增，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（AB階段），完善新秩序使損傷量勻速遲緩增加。經(jīng)過一個穩(wěn)定增加時期后，原秩序?qū)⒃俅蜗驘o序方向發(fā)展，進而使損傷量值開始加速增大（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，事物又開始回歸到一個新安全狀態(tài)（O點）。

5/7/202416安全第一，預(yù)防為主第16頁三、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（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)詳細事物對安全度要求來確定。2)危險——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)稱為災(zāi)害。5/7/202418安全第一，預(yù)防為主第18頁（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,即是危險度。3）壽命極限——事物僅在內(nèi)因作用下?lián)p傷量到達極限值時間，或事物從誕生經(jīng)理想環(huán)境過渡到事故發(fā)生所經(jīng)歷時間。4）系統(tǒng)——進行安全狀態(tài)研究對象，是一個或多個事物集合。5/7/202419安全第一，預(yù)防為主第19頁（一）安全流變—突變基本概念3、安全科學(xué)過程概念1)秩序——事物本身組成、結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運行規(guī)律2)安全突變——事物從危險狀態(tài)到事故狀態(tài)質(zhì)變過程3)安全流變——事物損傷量隨時間改變量變過程5/7/202420安全第一，預(yù)防為主第20頁安全損傷（e）：事物在內(nèi)外因作用下隨時間破壞量。安全外因：影響事物安全程度外部原因，指事物周圍全部對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)事物運動形態(tài)改變可能性，是事物安全質(zhì)變和變形公共度量。安全熵：促使事物向負效應(yīng)方向轉(zhuǎn)變量度。安全功：是過程特征參量，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頁損傷滯后效應(yīng)：看成用于事物能量對事物損傷做功時，本質(zhì)損傷不會馬上出現(xiàn)，而產(chǎn)生一個彈性前效；當(dāng)對損傷做功能量消失后，損傷不會馬上停頓，而還要延遲一段時間，這兩個時間對安全預(yù)測很主要。安全勢：指事物從一狀態(tài)向另一狀態(tài)轉(zhuǎn)化能力大小和趨勢，是一個可能性表述。安全潛力勢：指事物到達安全最正確狀態(tài)或理想狀態(tài)能力大小和趨勢潛力損傷勢：是指在事物不停發(fā)展過程中，對事物到達安全最正確狀態(tài)能力和趨勢損傷程度反應(yīng)。5/7/202422安全第一，預(yù)防為主第22頁（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1、物理模型：在對事物安全流變—突變特征有了定性認識基礎(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)損傷過程系數(shù)；為可修復(fù)損傷。基本元件特征5/7/202425安全第一，預(yù)防為主第25頁基本元件特征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，事物內(nèi)部系統(tǒng)不損傷，摩擦件對系統(tǒng)起一個保護作用，相當(dāng)于保護層；當(dāng)外界影響大時，摩擦件開始運動產(chǎn)生永久損傷。5/7/202427安全第一，預(yù)防為主第27頁基本元件特征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，質(zhì)量體能夠運動，而且服從牛頓阻力定律，因為質(zhì)量體質(zhì)量不停減小，即使外界作用力不變，質(zhì)量體運動也要展現(xiàn)加速趨勢。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，質(zhì)量體不運動，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)特征不會受影響；當(dāng)外界或內(nèi)部作用大時，質(zhì)量體開始滑動，形成穩(wěn)定不可恢復(fù)損傷，經(jīng)過一段時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。5/7/202428安全第一，預(yù)防為主第28頁安全流變-突變換型五個層次l）外界廣義力區(qū)S一切外部對事物有影響作用總稱，它經(jīng)過事物內(nèi)部而對事物起作用。當(dāng)對于同一事物外界改變范圍不大時，能夠認為是相同力作用，如研究人壽命規(guī)律時，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2）可馬上恢復(fù)損傷區(qū)第一保護區(qū)，它由一個安全可逆元件組成，能對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，一旦外界作用消失，對事物危險勢也馬上消失。5/7/202430安全第一，預(yù)防為主第30頁3）可遲緩恢復(fù)損傷區(qū)第二保護區(qū)，由安全阻尼和安全可逆兩元件組成，它特點是對作用力不能馬上引發(fā)應(yīng)有損傷，有個時間滯后段，當(dāng)外力消失后損失不能馬上恢復(fù)，而是經(jīng)過一段時間遲緩回復(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，摩擦件相當(dāng)于一個保護事物強度元件，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，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，是描述事物損傷開始加速元件，假如外界作用超出某一定值，就會引發(fā)內(nèi)部本質(zhì)損傷加速元件運動。它能消化或吸收一部分外界作用，一開始它消化或吸收能力為一定值，但運行一段時間后，安全質(zhì)量體質(zhì)量隨時間不停減小，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。因為質(zhì)量體不停減小，保護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)，事物損傷速度越來越快，損傷程度越來越大，直到整個事物完全破壞。5/7/202433安全第一，預(yù)防為主第33頁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5/7/202435安全第一，預(yù)防為主第35頁5/7/202436安全第一，預(yù)防為主第36頁損傷：損傷速度：損傷加速度:5/7/202437安全