沙疗是一种利用新疆吐鲁番地区独具特色的沙子进行埋沙治疗疾病的自然疗法,是一种综合热疗、磁疗、光疗和机械压力于一体的绿色、健康、无副作用的物理疗法。本文在粘弹性材料理论和实验的基础上,研究沙疗对人体下肢热力耦合的影响,对沙疗过程中人体下肢的温度和应力进行了实验研究,并应用Maxwell模型分别拟合出了不同沙疗条件下人体下肢皮肤的弹性模量和松弛时间。实验作为初始条件,对人体下肢总变形和等效应力进行数值模拟。本文将选取的75名受试者分为四组进行沙疗实验(埋沙厚度10cm、沙体温度45℃组,埋沙厚度10cm、沙体温度50℃组,埋沙厚度20cm、沙体温度45℃组,埋沙厚度20cm、沙体温度50℃组),依次采集沙疗时间为300s、600s、900s、1200s、1500s、1800s各瞬时受试者下肢的温度和压力数据并进行统计学分析,研究沙疗对人体下肢热场和力场的相互影响。实验研究与数值模拟研究表明:(1)应力场对温度场的影响:沙体温度为45℃时,埋沙厚度20cm相对埋沙厚度10cm,各瞬时人体下肢表面温度分别增大:0.73℃、0.53℃、0.44℃、0.46℃、0.33℃、0.31℃;沙体温度为50℃时,埋沙厚度20cm相对埋沙厚度10cm,各瞬时人体下肢表面温度分别增大:0.07℃、0.08℃、0.17℃、0.25℃、0.31℃、0.34℃。实验结果表明,应力场对温度场有一定的影响,沙体温度45℃相对沙体温度50℃时应力场对温度场的影响较大。(2)温度场对应力场的影响:实验研究发现,埋沙厚度为10cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,各瞬时人体下肢表面应力分别增大:0.001766MPa、0.001999MPa、0.002124MPa、0.001952MPa、0.002032MPa、0.001924MPa;埋沙厚度为20cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,人体下肢表面应力分别增大:0.0002555MPa、0.000574MPa、0.000839MPa、0.001022MPa、0.000882MPa、0.000674MPa。数值模拟发现,埋沙厚度10cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,各瞬时人体下肢最大等效应力的相对改变量分别为:25.330%、25.403%、25.333%、25.326%、25.415%、25.329%;埋沙厚度20cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,人体下肢最大等效应力的相对改变量为:16.611%、16.149%、16.474%、16.604%、16.669%、16.611%。实验结果表明,温度场对应力场有影响,并经过数值模拟发现埋沙厚度10cm时,温度场对应力场的影响大于埋沙厚度20cm时的影响。通过对沙疗过程人体下肢最大总变形的数值模拟得出,埋沙厚度10cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,各瞬时人体下肢最大总变形的相对改变量为:5.801%、5.861%、5.851%、5.845%、5.95%、6.046%;埋沙厚度20cm时,沙体温度50℃相对沙体温度45℃,各瞬时人体下肢最大总变形的相对改变量为:5.001%、6.515%、5.275%、10.881%、9.703%、10.495%。发现埋沙厚度10cm、20cm时人体下肢最大总变形的相对改变量较小,符合实际。(3)四组沙疗情况下人体下肢皮肤的弹性模量依次为:0.00313MPa、0.00488MPa、0.00814MPa、0.009MPa;松弛时间依次为:118.59s、71.66s、48.76s、25.83s。弹性模量和松弛时间表征材料的粘弹特性,埋沙厚度和沙体温度变化时,人体下肢皮肤的弹性模量和松弛时间发生变化,说明埋沙厚度和沙体温度对人体下肢的弹性模量和松弛时间有影响。(4)通过模拟四组沙疗情况下,人体下肢各监测点在各瞬时的等效应力发现,在人体下肢肌肉和骨骼接触处所受等效应力最大,皮肤和肌肉的接触处所受等效应力次之,皮肤表面等效应力最小,符合实际。说明模拟结果可以用来探究人体下肢内部的等效应力变化,从而为研究沙疗过程人体下肢内部组织的力学性能提供基础。