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唇舌側弓絲力學性能的有限元分析

發布于:2023-11-13 18:36
有限元分析

      舌側矯治是正畸矯治中技術含量較高、效果較好的一種矯治技術,近年來因其美觀性、隱蔽性在臨床上的應用逐漸增加,但由于托槽黏貼位置、托槽間距、托槽與阻抗中心距離以及托槽槽溝方向的不同,使得唇舌側托槽間的弓絲尺寸、形狀(唇側水平弓絲,舌側帶狀弓絲)等發生改變,致使弓絲受力后產生的應力發生相應變化。對弓絲性能的研究目前主要集中于唇側,無論是經典的三點彎曲實驗還是改良后的三托槽彎曲實驗,均采用傳統的力學測試方法,尚未有應用三維有限元分析方法研究唇舌側弓絲力學性能的報道。
      本實驗使用三維有限元方法,建立帶三托槽的唇舌側弓絲三維有限元模型,根據三托槽彎曲實驗原理,研究托槽間距、弓絲材質、弓絲尺寸對唇舌側弓絲力學性能影響的變化規律,為臨床矯治弓絲的合理選擇提供參考。
      在Pro/E Wildfire4.0三維建模軟件中分別建立結扎絲、唇舌側弓絲及托槽的實體模型,以Discovery誖(Dentaurum,Pforzheim,德國)唇側托槽和第7代Kurz舌側托槽(7thGeneration,Ormco,Glendora,CA,美國)CAD數據為參考,建立上頜切牙唇側水平槽溝托槽和舌側垂直槽溝托槽,槽溝尺寸為0.022×0.025英寸;弓絲尺寸為0.017×0.025英寸(0.43mm×0.64mm)和0.019×0.025英寸(0.48mm×0.64mm),弓絲長度為50mm。選擇3種材質:不銹鋼(SS)、β-鈦(TMA)、鎳鈦(NiTi);結扎絲直徑設為0.2mm,將建好的實體模型分組裝配導入至MSC.Marc.Mentat2005R3軟件中,進行網格劃分和參數設定,建立唇舌側矯治系統的三維有限元模型(圖1)。
      根據不同唇舌側弓絲尺寸及材質,建立以下12組模型(表1)。
      在MSC.Marc.Mentat2005R3軟件的MaterialProperties組件中,對每組模型的弓絲、托槽、結扎絲分別進行物理參數設定(表2)。為了提高運算速率,托槽、結扎絲材料均設定為不銹鋼材質。弓絲有3種材質:不銹鋼、鎳鈦絲、β-鈦絲。
      兩端托槽三維方向上均設為固定,弓絲與結扎絲、托槽之間設定為接觸關系,且存在一定的摩擦,摩擦系數設為0.2,弓絲受力后可以相對于托槽、結扎絲發生相應滑動。分別于每組模型中間托槽中點處加載齦向位移1mm,應用MSC.Marc.Mentat2005R3軟件包收集各工況下弓絲隨形變量的增加載荷值的變化,繪制相應的載荷形變曲線圖及平均載荷值柱形圖。選擇加載第1秒內載荷的變化為研究對象,加載的位移-時間關系的三維有限元圖見圖2、3。
      將各組模型的邊界條件、加載參數、載荷定義等任務完成后,應用MSC.Marc.Mentat2005R3有限元分析軟件中任務提交組件進行運算,分別計算各加力點處中心節點所受到的反作用力。建立兩端托槽近中邊緣間弓絲長度為10、12、14、16mm的弓絲和托槽模型,在每組模型中點處取點,記錄隨位移變化其相應應力的變化情況,繪制相應的載荷形變曲線圖及平均載荷值柱形圖,研究托槽間距、弓絲尺寸及弓絲材質對唇舌側弓絲力學性能的影響規律。


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