安全科学的流变-突变规律

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。
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• 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。
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（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
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（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
• 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
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基本元件特征
• 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。
• 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。
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（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，
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• 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。
• 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。
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（二）安全流变—突变的理论模型
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• 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。
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• 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。
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• 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。
• 式中 ：
SH 2keH
• S H 为可修复损伤广义作用力；
• k 为表征事物可修复损伤过程的系数；
• e H 为可修复损伤。
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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。
SN 2eN
• 式中 ：
• S N 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；
• e N 为永久损伤。
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基本元件特征
• 3）安全摩擦件： f 3 =常数，用
表示。
• f 3 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。
• 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。
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事物“安全流变与突变”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，新秩序在此期间逐渐形成和完善。
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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
（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
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（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
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（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。
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损伤加速度:
e 2 S2 2
e
xp k(2 2
t)e4
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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-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 数，它们的图形见图1－15，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。
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（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。
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（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。
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 多个事物的集合。
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（一）安全流变—突变的基本概念
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
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（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。
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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
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。
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• 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
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• 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
• “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。
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（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。 • 物质世界在不断流变中突变。
• 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。
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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。
变化，变形速度加快， 发生冒顶
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（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
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（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。
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本章小结
1、安全科学的发展历程。 2、安全科学的哲学特征。 3、布尔代数、概率运算、可靠性在安全工程中的应
用。 4、安全的流变-突变规律，并应用其解释事故的灾害
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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
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（一）安全流变—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，该限度可以根据具体事物对安全度的要求 来确定。
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• 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。
第五节 安全科学的流变—突变规律
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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
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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。
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• 2、数学模型 • 在物理模型的基础上，我们建立数学模型：
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损伤： ek S 12 S k2[1 ex k p 2 2t)( ]S 3f3te4
损伤速度： e 2 S2exp k2 2t()S 3f3e4