正常人牙尖交错位紧咬牙时颞下颌关节无单元—有限元耦合法二维生物力学分析

发布时间：2020-11-17 18:55

　　颞下颌关节(temporomandibular joint，TMJ)是人体关节中结构最复杂、运动最精细的关节，其中关节盘在下颌功能运动中起着重要而特殊的作用。因此，研究颞下颌关节尤其是关节盘的生物力学对了解颞下颌关节的生理病理和颞下颌关节疾病的防治有重要意义。由于数值模拟的简便有效性，人们在研究颞下颌关节生物力学时大量采用了建立颞下颌关节有限元数值模型的方法，但对于具有复杂几何形状的颞下颌关节来说，有限元法(finite element method，FEM)在网格划分时极易出现网格畸变，另外，应力分布不均匀需应力修匀等后处理措施也降低了其模拟效率。近年来出现的一种无单元法(meshless method)，它摆脱了网格的束缚，采用节点来进行局部离散，由移动最小二乘法来拟合场函数，其计算精确度更高、更为简便，能处理有限元法许多不能解决的问题。为弥补无单元法不易施加强制边界条件的不足，我们现将它与有限元法进行耦合应用于颞下颌关节的生物力学分析，并将所得结果与有限元法进行比较，以探讨此法是否优于传统的有限元法，为颞下颌关节生物力学数值模拟分析引进一种更新更有效的方法。实验一、颞下颌关节二维无单元—有限元耦合模型的建立材料和方法：应用殷新民课题组所建立的三维有限元模型，此模型包括颞下颌关节、咀嚼肌、下颌骨和下牙列，材料分为皮质骨、松质骨、关节盘纤维软骨和髁突关节软骨等。因颞下颌关节左右对称，因此仅取半侧(右侧)模型研究，在MARC2003中沿髁突正中矢状面截取有限元模型的二维图像，导入ANSYS8.0中，在外形轮廓不变的情况下重新剖分网格，保存为模型1。在此模型基础上，下颌升支、髁突、颞骨保留有限元网格，在关节盘周边轮廓保留有限元节点，去除网格，中间区域用节点离散，保存为模型2。结果：模型1形成包括下颌升支、髁突、关节盘和颞骨在内的二维有限元模型，共有1189个节点，1059个单元。模型2形成颞下颌关节的二维无单元-有限元耦合模型。结论：在有限元模型基础上，运用无单元节点离散技术可以建立几何形态逼真的颞下颌关节正中矢状面的二维无单元-有限元耦合模型，为进一步进行TMJ生物力学的科学研究奠定了坚实的基础。实验二、颞下颌关节无单元—有限元耦合法生物力学分析材料和方法：对实验一建立的两个模型进行加载，分析正常人牙尖交错位紧咬牙时，颞下颌关节内正中矢状面的应力分布特征：(1)边界条件：约束颞骨上部所有节点自由度。(2)加载情况：通过髁突几何中心点沿垂直于关节结节后斜面即估计的关节凹反作用力方向向前上加载0.2mm位移。二维有限元模型用ANSYS8.0进行求解，在后处理器中研究分析应力分布。二维无单元-有限元耦合模型用自行编制的耦合程序(无单元积分采用二维三角形的Hammer积分，耦合采用配置耦合法)进行求解，将计算结果导入ANSYS8.0中以显示云图。结果：二个模型计算结果具有较高的相似性，反映了颞下颌关节应力分布基本相同的特点：髁突表面、关节盘腹面、关节盘背面、颞骨Von Mises应力呈逐渐降低趋势，关节盘高应力区主要位于中间带和双板区。但耦合模型的应力分析结果更精细：在颞骨下份，Von Mises应力值前中后出现不均匀变化，在关节盘，Von Mises高应力梯度区表现由高到低的缓慢降低，在中间区，高应力位于腹侧与背侧之间，在双板区，出现上下两个高应力区。结论：有限元模型和无单元-有限元耦合模型应力分析结果具有较高的相似性，反映的颞下颌关节应力分布特点基本相同，但耦合模型对关节盘的应力分析更精确。
【学位单位】：南京医科大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：R782.6
【部分图文】：

三维有限元模型,节点