循环温度与咬合力作用下不同厚度瓷贴面三维有限元分析

发布时间：2020-07-11 03:04

【摘要】：研究目的采用三维有限元分析法对下颌中切牙不同厚度瓷贴面在循环温度与咬合力作用下的应力分布进行分析,研究在不同载荷条件下依照临床治疗方案所构建的不同厚度瓷贴面模型的应力值及应力分布规律,以期在生物力学角度为瓷贴面牙体预备、制作提供依据。研究方法CBCT扫描离体下颌中切牙后通过Mimics18.0医学图像软件、Geomagic Studio 2012软件、Creo Parameric 4.0软件中构建下颌中切牙三维实体模型,在此基础上建立下颌中切牙薄型、厚型瓷贴面实体模型。将各组实验模型导入有限元分析软件Ansys Workbench中,进行自动网格划分,设定实验假设、边界条件和参数,选择Von Mises应力、最大主应力作为分析指标进行有限元分析。本实验条件分为以下三种:1.循环温度设置口腔初始温度为37℃,将每组模型的临床牙冠外表面设定为温度加载区,为模拟热液流负载,牙冠的外表面温度在1s内增加到60℃,然后在4s内恢复至37℃。对于冷液流负载,在1s内牙冠的外表面温度降低到0℃,然后在4s内恢复至37℃。2.循环咬合力正向加载方向与牙体长轴一致,加载位置选择在切端。斜向加载方向从唇侧斜向舌侧,与牙体长轴呈45°,加载位置选择在切端偏唇方。加载方式选择面加载,施加大小为150N,加载时间为0.2s,时间增量由软件自动确定,时间步数函数为正弦函数:f(t)=150*sin[(1-t/0.2)*π]。3.循环温度叠加循环咬合力通过有限元计算瓷贴面在循环温度叠加循环咬合力作用下的应力情况,计算量大且耗时,本实验决定仅对厚型瓷贴面模型进行计算。根据两个过程的时间,本实验条件拟在5s温度循环内叠加25个咬合力循环。结果1.实验条件一:循环温度作用下的受力分析(1)瓷贴面Von Mises应力值在低温循环作用下均大于高温循环作用下,且变化规律基本一致,在前1s温度上升或下降过程中,应力值不断增大。在温度恢复过程中,应力值出现先下降后上升最后逐渐下降的变化规律。(2)对于整体模型,在舌侧产生更大的温度改变,舌侧的Von Mises应力峰值大于唇侧。(3)在低温循环作用下,瓷贴面唇侧中央为拉应力集中区,最大主应力(拉应力)峰值大于高温循环作用下。且应力峰值均小于该材料的抗弯强度。(4)在低温循环作用下,整体模型的临床牙冠部主要受拉应力,舌侧为拉应力集中区。在高温循环下,整体模型的临床牙冠部拉应力较小,舌侧中央为压应力集中区。(5)在低温循环和高温循环作用下,薄型瓷贴面和厚型瓷贴面的Von Mises应力峰值差别不大,最大主应力(拉应力)峰值差别较大,薄型瓷贴面的应力峰值大于厚型瓷贴面。2.实验条件二:循环咬合力作用下的受力分析(1)薄型、厚型瓷贴面在正向、斜向循环咬合力作用下,瓷贴面的Von Mises应力值、最大主应力值均随时间呈正弦连续变化。(2)瓷贴面切端及颈缘部位为应力集中区,此部位易发生折裂。(3)循环咬合力作用对不同厚度瓷贴面的应力影响较大,其中薄型瓷贴面应力值较大,在使用过程中更容易折裂。(4)模拟前伸咬合时更容易造成瓷贴面应力集中进而造成其折裂。(5)在斜向循环咬合力下,薄型、厚型瓷贴面的颈缘为拉应力集中区,最大拉应力峰值较大但几乎无差别。在正向循环咬合力下,薄型、厚型瓷贴面的切端加载区周围为拉应力集中区,最大拉应力较小。(6)不论是薄型还是厚型瓷贴面,在两种载荷条件的应力峰值均小于瓷材料的应力极值。3.实验条件三:循环温度叠加循环咬合力作用下的受力分析(1)在高温循环下,叠加正向循环载荷时,瓷贴面的Von Mises应力峰值达到31.653MPa,增加63%;叠加斜向循环载荷时,瓷贴面的Von Mises应力峰值达到52.052MPa,增加1670%。同样,在低温循环下,叠加正向循环载荷时,瓷贴面的Von Mises应力峰值达到37.507MPa,增加20%;当叠加斜向循环载荷时,瓷贴面的Von Mises应力峰值达到43.152MPa,增加38%。(2)在不同温度条件下,瓷贴面应力集中部位的变化规律及分布情况基本一致。当叠加正向循环载荷后,应力在唇侧中央的应力集中面积加大且逐渐向颈缘转移,在舌侧切端转折处应力集中增强且舌侧应力集中面积加大。叠加斜向循环载荷时,瓷贴面在唇舌侧颈缘处应力集中。(3)在低温循环叠加正向循环咬合力作用时,厚型瓷贴面唇侧中央为拉应力集中区,最大拉应力峰值为29.546MPa。当高温循环叠加正向循环咬合力作用时,邻面接触区为拉应力集中区,拉应力较小,为9.2235MPa。当低温循环叠加斜向循环咬合力时,厚型瓷贴面唇侧中央及颈缘部为拉应力集中区,最大拉应力峰值为47.677MPa。当高温循环叠加斜向循环咬合力时,厚型瓷贴面唇侧应力分布均匀,舌侧切端转折为应力集中区,最大拉应力峰值为25.214MPa。(4)在温度循环范围内,随着循环咬合力次数的增多,瓷贴面的应力值随温度升高或下降达到应力峰值,然后在温度恢复过程中,应力峰值逐渐达到稳定。结论1.口腔中不断变化的温度会引起修复体产生热应力的效果,在低温循环中产生的热应力高于高温循环中。瓷贴面在低温循环中产生的拉应力较大,瓷材料耐受拉应力的性能较差,说明瓷贴面在低温环境下发生失效断裂的可能性较大。循环温度对不同厚度瓷贴面应力分布有影响,薄型瓷贴面的应力峰值大于厚型瓷贴面。单纯温度变化引起的应力造成修复体断裂的可能性较小,其中薄型瓷贴面在低温循环作用下发生破坏的风险最高。2.循环咬合力对不同厚度瓷贴面的应力影响较大,其中薄型瓷贴面应力值较大。瓷贴面切端及颈缘部位为应力集中区,容易发生折裂。前伸(牙合)更容易造成瓷贴面应力集中进而造成其折裂。因此在临床应用中,应注意瓷贴面厚度及颈缘的设计与制作,尤其注意前伸(牙合)的调整。3.在单独循环温度、循环咬合力作用下瓷贴面几乎没有破坏的可能,但循环咬合力与循环温度有一定的联合作用。两者共同作用会增加瓷贴面失败的风险。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R783
【图文】：

精修,三维几何模型,实体模型,牙髓腔

应不同的灰度值，设定阈值，识别牙体、牙釉质及牙髓腔。运用蒙板工具、区域逡逑生长工具及模板编辑工具识取具有相似灰度特征的目标，如图１所示。获得精修逡逑前的下颌中切牙三维实体模型，如图２所示。逡逑１５逡逑

实体模型,中切牙,精修,下颌

进行初步平滑，对于毛刺部分，用砂纸打磨，反复运用这两种方法，直到模型表逡逑面平整光滑为止。然后进行构造曲面片及构造格栅处理，最后进行拟合曲面并生逡逑成体，将以上曲面重构的牙体各部分的实体模型以ＩＧＥＳ格式保存，如图３所示。逡逑１６逡逑

三维实体模型,皮质骨,牙周膜,牙根

质界根方２ｍｍ处建立部分牙槽骨结构，松质骨被建模为一个在皮质骨里的坚实立逡逑体结构，颊舌向尺寸１0匪，近远中向尺寸１２灥，皮质骨厚度为２ｍｍ，建立０．２ｍｍ逡逑厚牙周膜包绕牙根［１８’１９：，如图４所示。逡逑．逦＾邋＼ｍｎ逡逑＾邋—ｔｔ逡逑——＾灥逡逑？逦＾牙釉？逡逑＾＂＊＊＊＊＾邋．邋Ｉ邋ｉ．逡逑图４天然牙的三维实体模型逡逑１７逡逑

【参考文献】