皮膚熱損傷溫度場的建模與仿真研究

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1、分類號(hào)UDC密級(jí)編號(hào)碩士學(xué)位論文皮膚熱損傷溫度場的建模與仿真研究ModelingandSimulationResearchonTemperatureFieldofSkinSubjectedtoThermalDamage學(xué)位申請(qǐng)人：朱曉明指導(dǎo)教師：胡志剛教授一級(jí)學(xué)科：儀器科學(xué)與技術(shù)二級(jí)學(xué)科：精密儀器及機(jī)械學(xué)位類別：工學(xué)碩士2015年04月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的研究工作及取得的研宄成果。據(jù)我所知，文中除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得河南科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的其他學(xué)位或證

2、書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：日期:ABSTRACT摘要摘要作為人體最大的器官，皮膚是人體抵御外界不良環(huán)境的第一道保護(hù)屏障，是位于身體外部的包裹在肌肉外面的組織。皮膚覆蓋全身，因而皮膚的燒傷現(xiàn)象是一種十分常見的人體外部傷害事故。根據(jù)皮膚燒傷所產(chǎn)生的原理不同，可以將其分為熱燒傷、電燒傷、化學(xué)燒傷及放射線燒傷等，其中熱燒傷所發(fā)生的比例占80%以上。因?yàn)闊崴疇C傷是在日常生活中極易發(fā)生的燒傷事故，所以有必要對(duì)該過程進(jìn)行更加深入地研究。準(zhǔn)確分析皮膚組織在熱水燙傷過程中的傳熱規(guī)律有助于對(duì)皮

3、膚燒傷的快速診斷和治療，為此國內(nèi)外許多學(xué)者采用了許多研究方法對(duì)其進(jìn)行了深入研究。通常采用的數(shù)值模擬方法有FDM、FEM、BME等，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。因此，有必要結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行更加細(xì)致地研究。本文主要內(nèi)容及研究成果如下：介紹了生物組織的傳熱機(jī)理及模型，然后基于ANSYS在合理假設(shè)的前提下，建立了皮膚組織的有限元模型，對(duì)該有限元模型施加合適的熱源載荷來模擬皮膚組織在100°C燒傷情況下的溫度場變化情況，并對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算，得出了在典型數(shù)據(jù)下皮膚組織的溫度場分布情況。發(fā)現(xiàn)在熱源撤離之后，熱量會(huì)繼續(xù)在皮膚組織中擴(kuò)散，受熱

4、區(qū)域也隨之?dāng)U犬。這說明熱源對(duì)皮膚組織的作用具有一定的延時(shí)性。為驗(yàn)證有限元模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下構(gòu)建了以鉑電阻PT100為溫度傳感器的皮膚表面組織的溫度測量系統(tǒng)，對(duì)前文計(jì)算得出的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所測量得到的溫度變化趨勢與理論計(jì)算結(jié)果大致相同，但是并沒有完全重合，誤差主要來源于溫度測量手段及系統(tǒng)，也可能是生物體自身的復(fù)雜性所致。由于數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性依賴于組織的熱物理參數(shù)，而實(shí)際上隨著組織燙傷的發(fā)生，其熱學(xué)參數(shù)也隨之改變，因此使用數(shù)值模擬的方法來計(jì)算皮膚溫度變化時(shí)，其復(fù)雜性與生物體自身的調(diào)溫機(jī)制相比，存在著簡單和粗

5、糙的缺點(diǎn)，但對(duì)于生物傳熱的數(shù)值計(jì)算仍有助于了解皮膚燒傷的過程及溫度變化規(guī)律，可以為燙傷的預(yù)測提供一定的參考依據(jù)。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的方法，本文建立了皮膚有限元模型，研究了皮膚表面組織在熱水燙傷過程中的溫度變化情況，為研究皮膚熱損傷過程中的熱量傳遞規(guī)律提供一定的幫助，也為今后從事相關(guān)方面的研究提供思路。關(guān)鍵詞：皮膚；熱損傷；溫度場；數(shù)值模擬；有限元法；溫度測量論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)研究選題來源：其他3ABSTRACTABSTRACTAsthebody'souterprotectivebarrier,theskinisthetissueoutsideth

6、emuscleofthebodysurface.Anditisalsothebiggesttissueofthebody.Astheskiniscoveredoverthewholebody,thephenomenonofskinburnsisaverycommonhumanexternalinjuryaccident.Accordingtotheprinciplescausingtoskinburns,itcanbedividedintothermalburns,electricburns,chemicalburns,radiationburns,etc

7、.Amongthem,thermalburnsaccountforeightypercent.Becausethehotwaterscaldeasilyhappensinourdailylife,itisverynecessarytocarryouttheprocessinmoredepth.Accurateanalysisofskinheattransferprocesswillfacilitaterapiddiagnosisandtherapyofskinburns.Manyscholarsathomeandabroadhadadoptedsomany

8、researchmethodstoanalyzetheproces