计算机辅助设计与制造固定桥连接体受力的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.09.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：义齿计算机辅助设计与制造技术是集多种学科为一体的高新技术，世界各国已开发了十几种口腔计算机辅助设计与制造系统，但是这些系统的功能仍不够完善，且价格昂贵，只有开发具有自主知识产权的系统才是根本的解决方法。
目的：在研究国产计算机辅助设计与制造系统的基础上，通过对连接体的受力分析，对后牙固定桥进行优化设计。
方法：建立固定桥的三维有限元模型，设计不同的连接体类型，在垂直载荷作用下，比较不同条件下连接体的受力情况。
结果与结论：不同外形连接体受力情况不同，带有圆弧过渡面的连接体受力小于无过渡面的连接体，圆弧半径与连接体面积匹配时方能减小连接体受力。提示应该将连接体设计为带有圆弧过渡面的形式。

关键词: 固定桥, 三维有限元, 应力, 连接体, 计算机辅助设计与制造, 数字化口腔科技术

Abstract:

BACKGROUND: Artificial teeth computer aided design and computer aided manufacture (CAD/CAM) is a high technology involving various subjects. Many CAD/CAM systems have designed. However, they have some disavantages and a high cost. Therefore, only the system with proprietary intellectual property can solve this problem.
OBJECTIVE: To optimize the connector of the CAD/CAM fixed bridge.
METHODS: Three-dimensional finite element models of the connector were established which was used to design different styles of connectors. Stress under different vertical loading conditions was compared.
RESULTS AND CONCLUSION: The connectors with different appearances displayed varying stress. Stress on the connector with arc transition was less than connector without arc transition. Connector was supposed to design to style with arc transition.

中图分类号:

R683

李晓萌，高平，王永先，李佳. 计算机辅助设计与制造固定桥连接体受力的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2010, 14(9): 1559-1562.

Li Xiao-meng, Gao Ping, Wang Yong-xian, Li Jia. Three-dimensional finite element analysis of stress on connector of CAD/CAM fixed bridge[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2010, 14(9): 1559-1562.

参考文献

引言

材料方法

讨论

3.1 连接体横截面积及过渡圆弧半径对连接体受力的影响全瓷系统的长期抗折能力有限，尤其是应用于后牙区或固定桥时^[1^，^22]。Fischer等^[2]认为，可以通过改变连接体面积来延长全瓷桥的寿命。连接体是应力集中的地方，作者通过改变连接体横截面的面积来分析连接体应力的变化^[23]。模型1，连接体横截面面积最小；模型3，连接体横截面面积最大；模型2介于两者之间。从图3中可以看出增大连接体横截面面积可以减小连接体的最大应力值，模型2应力变化较模型3平稳。无过渡圆弧设计中连接体的尖角会造成应力集中的现象，为了改善这种现象，作者采用了增加圆弧过渡曲面的方法，希望可以通过去除尖角来减小连接体处的应力。作者分别设计了5种过渡曲面，曲面的半径分别为0.25，0.40，0.80，1.00，1.25 mm。可以看出，除了半径0.25 mm的模型与无圆弧过渡曲面模型走向基本一致外，其余4个模型的应力曲线都在无圆弧过渡曲面模型应力曲线以下。可以说，对于半径0.25 mm圆弧过渡曲面，几乎没有减小连接体应力的作用。当圆弧过渡曲面半径大于0.40 mm时，具有减小应力的作用。当半径等于1.25 mm时，虽然应力曲线在半径0 mm下方，但其应力曲线的变化趋势与其他5条略显不同，前段曲线下降坡度较大后段曲线趋于平缓。有两种可能性：①由于模型数量较少，误差对实验结果影响较大，不能准确的反映应力变化规律，增加样本数量进行验证。②当圆弧过渡曲面半径达到某一值时，其减小连接体应力的能力趋于不稳定，这也需要增加模型数量，对过渡曲面半径大于1.25 mm模型进行分析。综合分析可以得到，当圆弧过渡曲面半径为0.8，1.0 mm时对应力的影响最稳定。由于材料本身性能的限制，固定桥破坏的主要形式是断裂，因此应保证桥体在受力时产生的最大应力小于屈服断裂强度。本文采用的材料其断裂韧性为3 MPa•m^1/2，断裂强度为150 MPa^[24]。根据上述分析结果，针对三单元后牙固定桥设计，可以认为，连接体的接触面积与过渡圆半径的最佳匹配范围:连接体面积在5.726 4和6.854 5 mm²，过渡圆半径取在0.8~1.00 mm为宜。 3.2 本次实验的实验条件在本实验中，通过对不同固定桥模型面加力来分析连接体面积以及圆弧过渡曲面对连接体应力的影响。但是，有些因素比如材料的热膨胀性、应力疲劳，咀嚼力的复杂性等都没有涉及，只能在近似条件下分析连接体的机械的几何的变化。本次实验是在静止载荷垂直方向受力情况下进行的，只选用了3个有代表性的模型，以求反映连接体受力变化的趋势。由于模型的数量有限，且实验与口腔实际情况尚有一定差异。因此在临床实际工作中要将患者的身体状况、牙体牙周状况、对颌牙等情况综合考虑，以达到最佳修复效果。 3.3 本次实验分析连接体应力所用的材料目前，在国际市场上，仍然较多CAD/CAM系统采用制作固定桥的桥体支架，然后在已得的支架上进行烤瓷方法。作者的设计思路是直接制作固定桥。目前市场上可供CAD/CAM系统使用的陶瓷材料有很多种，包括Vita、Dicor等切削陶瓷，其性能正在逐步改善，但目前还不能满足直接制作固定桥修复体的需要^[25-26]。因此，作者在进行连接体受力分析的时候，考虑到本系统的设计理念以及以后材料学的发展，暂时以氧化锆为制作修复体的材料进行分析^[27]。因为氧化锆在硬度和可切削性方面，已经满足了直接制作固定桥修复体的需要，只是在色泽方面仍需改进。通过对固定桥连接体的受力分析，作者发现的应力分布规律将同样适用于新型齿科材料。相信在不久的将来，一种美观实用的切削陶瓷材料将会给CAD/CAM系统的应用带来新的发展。

[1]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[2]	杨卫强, 丁童, 杨卫可, 蒋振刚. 组合式可变应力接骨板内固定干预山羊股骨骨折断端的骨组织细胞功能及骨密度变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 890-894.
[3]	刘波, 陈祥和, 杨康, 余慧琳, 陆鹏程. DNA甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 791-797.
[4]	张国梅, 祝军, 胡杨, 焦红卫. E-Max瓷嵌体三维有限元模型粘接界面应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 537-541.
[5]	刘金伟, 陈允震, 万春友. 应力作用下骨不连断端组织中成骨因子的变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3619-3624.
[6]	韩磊, 刘海英, 张浩. 步态周期下各级骨关节炎软骨力学行为的数值分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(18): 2810-2815.
[7]	韩世翀, 李昌, 刑海洋, 葛文龙, 王刚. 胫骨近端关节外骨折两种内固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2329-2333.
[8]	李咏壑, 王献抗, 孟昱, 刘璐, 张春秋, 叶金铎. 髋关节置换中短柄假体置入位置差别的力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2394-2399.
[9]	熊国兵, 刘爱波, 王世泽, 王寓, 邱明星. 体外构建的细菌生物膜反应器仿人体膀胱尿液紊流切应力系统[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(10): 1560-1565.
[10]	刘杰, 范若寻, 高甲子, 曾晟, 刘军. 有限元法分析车辆低频振动时不同退变程度人体腰椎的力学响应[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(9): 1371-1377.
[11]	颜继英. 不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(9): 1390-1394.
[12]	赵燕旭, 张钊, 罗东, 李芒来, 汪靖, 方杰, 蒋雯, 冯勇, 彭江, 许文静, 王玉, 汪爱媛, 张民泽. 下肢应力性骨折相关风险因素及未来的研究方向[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(9): 1422-1429.
[13]	乔钰淇, 富荣昌, 章立红. 沙疗对不同狭窄程度股动脉分叉管血流脉动动力学影响[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(8): 1218-1224.
[14]	谢飞, 李晏乐, 林新晓, 胡海威, 桑志成, 孙永生, 蒋科卫, 程桯, 温冠楠, 温建民, 孙卫东. 机械应力对拇外翻足截骨端成纤维细胞外泌体的调控机制 [J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(7): 1089-1093.
[15]	夏长江, 袁志峰, 方宁. 基于尺桡骨三维有限元模型分析桡骨远端骨折的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(6): 893-897.