论文部分内容阅读
有限元方法可以分析修复体的几何外形及复杂的口腔环境等多物理场问题，具有高效、精确、成本低等优点，现已广泛应用于口腔修复领域。然而目前有限元研究在口腔修复领域存在一些不足：首先，以往研究采用在某个接触面施加集中载荷的方法来模拟修复体受力情况，忽略了修复体与对颌牙接触时的非线性接触状态及耦合关系，这种不符合实际咀嚼情况的线性假设，会影响结果的准确性；其次，以往采用有限元方法建立的模型为非参数化模型，当实验条件发生改变时则需要重新建模，费时费力且易产生计算错误、自动化程度差。Isight集成仿真平台整合设计流程中所使用的各项软件工具，将大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，从而替代设计者进行重复性、易出差的数字和设计处理工作，通过参数化建模利用优化策略自动进行最优化设计。Abaqus是国际上最先进的大型通用有限元软件之一，它可以分析复杂的力学问题，其驾驭庞大求解规模的能力，以及非线性力学分析功能到达世界领先水平。Abaqus非线性分析功能在口腔修复研究中能准确模拟修复体与对颌牙发生咀嚼关系时非线性接触状态及耦合关系。因此本课题旨在考虑非线性接触状况下，采用非线性有限元算法，对比应用五组饰核瓷厚度比的传统有限元方法和参数化模型的Isight集成仿真方法，分析饰核瓷厚度对全瓷冠强度与疲劳的影响，为非线性有限元与Isight集成仿真平台今后应用于口腔修复领域打下基础。本课题分为两部分：第一部分传统非线性有限元分析法利用Pro/E建模软件建立IPS e.max press全瓷冠的下颌第一磨牙形态试件有限元模型，将瓷层总厚度为1.5mm的全瓷冠分为饰瓷与核瓷厚度比分别为1：4、1：2、1：1、2：1、4：1五组有限元模型，并建立与饰瓷咬合面相切处、半径为4.5mm的半球形加载头，在Abaqus与Fe-safe有限元分析软件中进行传统的非线性有限元强度及疲劳仿真分析。第二部分Isight集成仿真分析法Isight集成仿真平台集成Pro/E、Abaqus与Fe-safe有限元软件；对IPS e.max press全瓷冠下颌第一磨牙形态试件的有限元模型进行参数化建模，全瓷冠瓷层总厚度为1.5mm，设定咬合面核瓷厚度（O）和轴面核瓷厚度（A）为参数（Parameter， P），O与A的变化范围均为0.2～1.3mm，利用全因子矩阵法模拟建立64组不同轴面核瓷厚度与咬合面核瓷厚度的有限元模型，通过近似模型将64组模型生成连续的无数个有限元模型；设定全瓷冠的最大主应力（Maximum Principal Stress，Mps）峰值与寿命循环次数为目标函数（ObjectiveFunction, OBJ），利用Isight的响应面近似模型功能对IPS e.max press全瓷冠的强度及疲劳的实验数据进行分析，优化全瓷冠的设计，探讨全瓷冠的使用寿命。实验结果为：实验一，五组饰核瓷厚度比的全瓷冠、核瓷、饰瓷最大主应力分布趋势相似，全瓷冠最大主应力峰值位于核瓷层出现在加载头接触区下方的核瓷与粘结剂之间；饰瓷的最大主应力峰值出现在饰瓷咬合面与加载头接触的外侧周围；饰瓷和核瓷所受的最大主应力均随载荷的增大而增加；基于最优化理论饰核瓷厚度比为1：4时断裂强度最大。实验二，五组饰核瓷厚度比的全瓷冠疲劳失效脆弱部位相同，均位于半球形加载头下方的饰瓷范围内；不同饰核厚度比的全瓷冠疲劳循环次数呈非线性变化关系为1：4＞1：2＞1：1＞4：1＞2：1；当饰核瓷厚度比为1：4时，全瓷冠寿命最长，而饰核瓷厚度比为2：1时全瓷冠寿命最短。实验三，O与A对全瓷冠的最大主应力均有影响，但O影响最大，影响值高达94.5%；当O小于0.35mm时全瓷冠最大主应力均较大，当O大于0.75mm时全瓷冠的最大主应力较小；O与A之间相互影响且共同影响全瓷冠的最大主应力；全瓷冠最优化的轴面核瓷厚度区间为1.2～1.3mm，咬合面核瓷厚度区间为0.91～1.09mm。实验四，全瓷冠的疲劳寿命次数随着咬合面核瓷厚度的增加先增加后减少，随着轴面核瓷厚度的增加而增加；O与A对全瓷冠的疲劳寿命次数均有影响，但O影响最大，影响值高达66%；轴面核瓷厚度为0.71～1.3mm、咬合面核瓷厚度为0.793～1.09mm时全瓷冠的疲劳寿命最长；轴面核瓷厚度为0.20～0.42mm、咬合面核瓷厚度为0.20～0.43mm时，全瓷冠的疲劳寿命最小。结论：本文从生物力学角度考虑，全瓷修复体在非线性接触状态下，对比应用传统非线性有限元分析法与Isight集成仿真非线性分析法，对全瓷冠的强度及疲劳进行优化设计，综合各组数据，得出IPS e.max press全瓷冠强度最优化的轴面核瓷厚度区间为1.2～1.3mm、咬合面核瓷厚度区间为0.91～1.09mm； IPS e.max press全瓷冠疲劳寿命优化区间为轴面核瓷厚度为0.71～1.3mm、咬合面核瓷厚度为0.793～1.09mm。本实验对全瓷冠饰核瓷厚度进行优化设计，为今后更好的将非线性有限元与Isight集成仿真平台应用于口腔修复体领域打下基础。