皮肤热损伤温度场的建模与仿真研究

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1、分类号UDC密级编号硕士学位论文皮肤热损伤温度场的建模与仿真研究ModelingandSimulationResearchonTemperatureFieldofSkinSubjectedtoThermalDamage学位申请人：朱晓明指导教师：胡志刚教授一级学科：仪器科学与技术二级学科：精密仪器及机械学位类别：工学硕士2015年04月独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下完成的研究工作及取得的研宄成果。据我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南科技大学或其它教育机构的其他学位或证

2、书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期:ABSTRACT摘要摘要作为人体最大的器官，皮肤是人体抵御外界不良环境的第一道保护屏障，是位于身体外部的包裹在肌肉外面的组织。皮肤覆盖全身，因而皮肤的烧伤现象是一种十分常见的人体外部伤害事故。根据皮肤烧伤所产生的原理不同，可以将其分为热烧伤、电烧伤、化学烧伤及放射线烧伤等，其中热烧伤所发生的比例占80%以上。因为热水烫伤是在日常生活中极易发生的烧伤事故，所以有必要对该过程进行更加深入地研究。准确分析皮肤组织在热水烫伤过程中的传热规律有助于对皮

3、肤烧伤的快速诊断和治疗，为此国内外许多学者采用了许多研究方法对其进行了深入研究。通常采用的数值模拟方法有FDM、FEM、BME等，数值计算结果的准确性有待进一步的实验来进行验证。因此，有必要结合数值模拟与实验手段进行更加细致地研究。本文主要内容及研究成果如下：介绍了生物组织的传热机理及模型，然后基于ANSYS在合理假设的前提下，建立了皮肤组织的有限元模型，对该有限元模型施加合适的热源载荷来模拟皮肤组织在100°C烧伤情况下的温度场变化情况，并对其进行有限元计算，得出了在典型数据下皮肤组织的温度场分布情况。发现在热源撤离之后，热量会继续在皮肤组织中扩散，受热

4、区域也随之扩犬。这说明热源对皮肤组织的作用具有一定的延时性。为验证有限元模型及计算结果的准确性，在现有实验条件下构建了以铂电阻PT100为温度传感器的皮肤表面组织的温度测量系统，对前文计算得出的数值结果进行了实验验证。通过对比发现，实验所测量得到的温度变化趋势与理论计算结果大致相同，但是并没有完全重合，误差主要来源于温度测量手段及系统，也可能是生物体自身的复杂性所致。由于数值计算模型的准确性依赖于组织的热物理參数，而实际上随着组织烫伤的发生，其热学參数也随之改变，因此使用数值模拟的方法来计算皮肤温度变化时，其复杂性与生物体自身的调温机制相比，存在着简单和粗

5、糙的缺点，但对于生物传热的数值计算仍有助于了解皮肤烧伤的过程及温度变化规律，可以为烫伤的预测提供一定的參考依据。通过数值模拟与实验手段相结合的方法，本文建立了皮肤有限元模型，研究了皮肤表面组织在热水烫伤过程中的温度变化情况，为研究皮肤热损伤过程中的热量传递规律提供一定的帮助，也为今后从事相关方面的研究提供思路。关键词：皮肤；热损伤；温度场；数值模拟；有限元法；温度测量论文类型：应用基础研究选题来源：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