双层全瓷固定桥力学性能与结构优化

发布时间：2017-04-25 12:07

  本文关键词：双层全瓷固定桥力学性能与结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：固定桥修复是一种常见的牙列缺损修复方式。双层全瓷固定桥由高强度底瓷材料和美观性良好的饰瓷材料制作而成,因具备较高的强度、良好的美观性和良好的生物相容性,受到了广泛关注,并逐渐代替传统的金属陶瓷固定桥。然而,全瓷固定桥修复中还存在一些问题,如饰瓷崩瓷率较高、对缺失牙两侧健康基牙的磨切量大、磨切基牙时缺乏量化指标导致基牙磨切量的确定具有很大的随机性等。这说明有关全瓷固定桥界面性质、结构性能的研究还有待深入。为解决上述问题,本文对固定桥的力学性能和结构优化进行了研究。首先,建立了底瓷／饰瓷双层梁结构应力分布模型,研究了底瓷/饰瓷厚度比对双层结构承载能力的影响；其次,用界面断裂力学方法比较了不同底瓷表面处理方法和循环加载对界面韧性的影响,并研究了底瓷/饰瓷界面的混合模态断裂力学性能；然后,用逆向工程方法建立了固定桥三维有限元模型并进行静应力、残余应力分析；最后,基于响应曲面法对固定桥进行了结构优化设计。两层瓷材料的厚度比对断裂模式、断裂起始点和强度有很大的影响,因为厚度比不同,固定桥受力时内部的应力状态也不同。固定桥内部的应力由受载时产生的应力和制作过程中产生的残余应力组成。根据固定桥的受力方式,将其简化为简支梁的形式。因此通过分析双层简支梁的应力分布可以阐明固定桥的受力状态以及底瓷/饰瓷厚度比对双层梁试件承载能力的影响。本文分别用解析法和有限元法建立了双层梁的残余应力分布和受三点压弯时的应力分布模型,基于应力分布模型建立了双层试件理论断裂载荷与厚度比的关系。并且用三点弯曲测实验证了模型的正确性。研究表明,当底瓷／饰瓷厚度比为1：2到2：1之间时,其对双层试件的断裂载荷影响不大。由于饰瓷越厚固定桥的美观性越好,因此厚度比可以取1：2左右来获得更好的外观。临床上,饰瓷崩瓷(包括底瓷／饰瓷分层和饰瓷内崩瓷)是常见的全瓷固定桥失效模式,这与底瓷、饰瓷界面结合性能和二者力学性能的巨大差异有关。因此,近年来很多研究致力于通过底瓷表面处理来改善界面结合性能。然而临床上全瓷固定桥的崩瓷率仍然很高。这很大程度上是由于底瓷／饰瓷界面断裂韧性较低,界面处容易出现缺陷和裂纹,而通常研究中一般采用界面结合强度来表征界面结合性能,忽略了对界面断裂力学性能的研究。本文从断裂力学角度来考察底瓷/饰瓷界面的性能。首先,通过界面断裂力学实验研究不同底瓷表面处理方法对底瓷/饰瓷界面断裂韧性的影响,为双层固定桥的制作工艺提供参考。结果表明,通常使用的喷砂和涂覆结合剂的方法均会降低界面韧性,因此两种方法应谨慎使用。然后,考察了疲劳加载对界面断裂韧性的影响,实验结果显示疲劳加载对界面断裂韧性没有显著降低作用,说明起始于界面的断裂不是由于疲劳产生的,而是由于瞬时载荷的大小和方向使界面裂纹的应力强度因子或其他断裂力学指标达到材料的临界值。界面裂纹在失稳扩展时有两种可能,一种是沿界面扩展,另一种是偏离界面向界面两侧的基体材料中扩展。因此,对界面断裂性能的完整评价应包括沿界面扩展准则和偏向扩展准则两部分。本文设计了一种界面混合模态断裂性能测试试件,通过大范围相位角下的界面断裂力学实验建立了底瓷/饰瓷界面的断裂准则,揭示了固定桥的断裂机理,为提高固定桥的断裂韧性提供了依据。建立准确有效的有限元模型是对固定桥进行结构优化的前提。但是,有限元模型是对实际分析对象、边界条件的简化,这些简化导致模型与实际情况产生偏差。目前关于固定桥有限元分析的研究中很少对建立的模型进行验证,在进行验证的研究中一般采用固定桥的承载载荷值或断裂方式来验证有限元模型。然而由于用来对比的信息过少这种验证并不能直接反映模型的准确性。本文采用逆向工程方法建立固定桥的三维模型和有限元模型,并将电测应力法测量出的应变值与有限元分析所得应变数据进行对比,验证了有限元模型的准确性。利用验证后的模型分析了固定桥在口腔中使用时的应力分布。在最大咬合力作用下,连接体颊面的饰瓷处产生超过饰瓷弯曲强度的拉应力,这说明固定桥结构还存在设计不合理的地方,需要进行优化设计。此外,利用有限元模型,采用瞬态热—结构耦合分析计算了固定桥烧结过程中由于两种材料热、弹性性质的不同而产生的残余应力。计算表明,饰瓷表面大部分区域受到少量残余压应力作用,饰瓷内部的应力分布与瓷层的弯曲形状有关,牙尖内部的饰瓷为拉应力区域,并在底瓷/饰瓷界面处达到最大值。目前对于固定桥结构的研究一般只针对一个因素或少数几个因素对固定桥强度的影响,大多是利用有限元分析、强度实验或二者的结合对几种不同结构的固定桥进行比较。很少有研究对其进行全面的优化。本文利用响应曲面法对固定桥进行结构优化。基于Box-Behnken法设计实验,并利用前面建立的有限元模型对每一组参数组合进行仿真计算。根据计算结果建立响应曲面并通过遗传算法进行优化计算,得到最优解。该优化结果使得固定桥的体积减小19.7%,基牙磨切量降低20.2%,并且实现了基牙磨切量各参数的量化。最终达到了基牙磨切量最小,承载能力尽可能最高,美观度最好的目的。
【关键词】：固定桥 应力分析 界面断裂力学 残余应力 优化设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R783.1
【目录】：

• 摘要12-15
• Abstract15-18
• 第一章 绪论18-34
• 1.1 引言18
• 1.2 全瓷固定桥材料与制作工艺18-23
• 1.2.1 全瓷固定桥18-21
• 1.2.2 全瓷固定桥材料及其性能21-22
• 1.2.3 全瓷固定桥的制作工艺22-23
• 1.3 全瓷固定桥界面性能研究现状23-26
• 1.3.1 界面结合性能研究现状23-24
• 1.3.2 界面断裂力学方法24-26
• 1.4 全瓷固定桥应力分析与结构优化研究现状26-31
• 1.4.1 固定桥应力分析研究现状26-28
• 1.4.2 固定桥残余应力研究现状28-29
• 1.4.3 固定桥结构优化研究现状29-30
• 1.4.4 响应曲面法30-31
• 1.5 课题提出及研究内容31-34
• 1.5.1 课题提出31-32
• 1.5.2 研究内容32-33
• 1.5.3 论文总体框架33-34
• 第二章 底瓷/饰瓷双层梁结构应力分析34-50
• 2.1 引言34-35
• 2.2 底瓷、饰瓷材料力学性能测试35-37
• 2.2.1 研究所用材料35
• 2.2.2 弯曲强度、弹性模量测试35-37
• 2.3 双层梁应力分布模型37-43
• 2.3.1 饰瓷烧结过程37-38
• 2.3.2 残余应力分布模型38-40
• 2.3.3 弯曲应力分布模型40-42
• 2.3.4 双层梁理论断裂载荷计算42-43
• 2.4 双层梁有限元分析43-44
• 2.5 双层梁三点弯曲实验与应力分布模型验证44-48
• 2.5.1 三点弯曲实验44
• 2.5.2 实验结果与模型验证44-48
• 2.6 本章小结48-50
• 第三章 底瓷/饰瓷界面断裂力学性能研究50-82
• 3.1 引言50-51
• 3.2 界面裂纹的奇异应力场51-52
• 3.3 界面断裂力学参数52-55
• 3.3.1 能量释放率52-54
• 3.3.2 应力强度因子与相位角54-55
• 3.4 底瓷表面处理对底瓷/饰瓷界面断裂韧性的影响55-64
• 3.4.1 四点弯曲界面断裂实验56-58
• 3.4.2 界面断裂韧性计算58
• 3.4.3 结果与讨论58-64
• 3.5 疲劳加载对界面断裂韧性的影响64-65
• 3.5.1 实验方法64
• 3.5.2 结果与分析64-65
• 3.6 底瓷/饰瓷界面混合模态断裂性能研究65-79
• 3.6.1 界面斜切口三点弯曲试样65-69
• 3.6.2 界面断裂力学参数及T应力计算69
• 3.6.3 偏折断裂准则69-71
• 3.6.4 最大能量释放率准则中系数的求解71-74
• 3.6.5 饰瓷断裂韧性实验74
• 3.6.6 结果与讨论74-79
• 3.7 本章小结79-82
• 第四章 固定桥有限元模型建立与应力分析82-100
• 4.1 引言82
• 4.2 固定桥三维模型重构及有限元模型建立82-86
• 4.3 有限元模型的验证86-89
• 4.3.1 电测应力实验86-87
• 4.3.2 实验结果与有限元结果对比87-89
• 4.4 固定桥静力分析89-91
• 4.5 固定桥残余应力分析91-98
• 4.6 本章小结98-100
• 第五章 固定桥结构优化设计100-114
• 5.1 引言100
• 5.2 结构优化模型与固定桥试验设计100-110
• 5.2.1 结构优化模型100-105
• 5.2.2 响应曲面试验设计与有限元仿真105-107
• 5.2.3 响应曲面结果分析107-110
• 5.3 优化计算110-112
• 5.3.1 最优结果确定110
• 5.3.2 优化结果验证110-112
• 5.4 本章小结112-114
• 第六章 总结与展望114-117
• 6.1 作总结114-116
• 6.2 创新点116
• 6.3 研究展望116-117
• 参考文献117-125
• 附录 位移外推法求应力强度因子和相位角部分命令流125-128
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研项目128-130
• 致谢130-132
• 已发表的英文论文132-150
• 学位论文评阅及答辩情况表150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 谭建国;周永胜;;牙科陶瓷材料[J];中国实用口腔科杂志;2009年07期

  本文关键词：双层全瓷固定桥力学性能与结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：326282