本文關(guān)鍵詞：雙層全瓷固定橋力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：固定橋修復(fù)是一種常見的牙列缺損修復(fù)方式。雙層全瓷固定橋由高強(qiáng)度底瓷材料和美觀性良好的飾瓷材料制作而成,因具備較高的強(qiáng)度、良好的美觀性和良好的生物相容性,受到了廣泛關(guān)注,并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬陶瓷固定橋。然而,全瓷固定橋修復(fù)中還存在一些問題,如飾瓷崩瓷率較高、對缺失牙兩側(cè)健康基牙的磨切量大、磨切基牙時缺乏量化指標(biāo)導(dǎo)致基牙磨切量的確定具有很大的隨機(jī)性等。這說明有關(guān)全瓷固定橋界面性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性能的研究還有待深入。為解決上述問題,本文對固定橋的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究。首先,建立了底瓷／飾瓷雙層梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布模型,研究了底瓷/飾瓷厚度比對雙層結(jié)構(gòu)承載能力的影響；其次,用界面斷裂力學(xué)方法比較了不同底瓷表面處理方法和循環(huán)加載對界面韌性的影響,并研究了底瓷/飾瓷界面的混合模態(tài)斷裂力學(xué)性能；然后,用逆向工程方法建立了固定橋三維有限元模型并進(jìn)行靜應(yīng)力、殘余應(yīng)力分析；最后,基于響應(yīng)曲面法對固定橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。兩層瓷材料的厚度比對斷裂模式、斷裂起始點和強(qiáng)度有很大的影響,因為厚度比不同,固定橋受力時內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也不同。固定橋內(nèi)部的應(yīng)力由受載時產(chǎn)生的應(yīng)力和制作過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力組成。根據(jù)固定橋的受力方式,將其簡化為簡支梁的形式。因此通過分析雙層簡支梁的應(yīng)力分布可以闡明固定橋的受力狀態(tài)以及底瓷/飾瓷厚度比對雙層梁試件承載能力的影響。本文分別用解析法和有限元法建立了雙層梁的殘余應(yīng)力分布和受三點壓彎時的應(yīng)力分布模型,基于應(yīng)力分布模型建立了雙層試件理論斷裂載荷與厚度比的關(guān)系。并且用三點彎曲測實驗證了模型的正確性。研究表明,當(dāng)?shù)状桑棿珊穸缺葹?：2到2：1之間時,其對雙層試件的斷裂載荷影響不大。由于飾瓷越厚固定橋的美觀性越好,因此厚度比可以取1：2左右來獲得更好的外觀。臨床上,飾瓷崩瓷(包括底瓷／飾瓷分層和飾瓷內(nèi)崩瓷)是常見的全瓷固定橋失效模式,這與底瓷、飾瓷界面結(jié)合性能和二者力學(xué)性能的巨大差異有關(guān)。因此,近年來很多研究致力于通過底瓷表面處理來改善界面結(jié)合性能。然而臨床上全瓷固定橋的崩瓷率仍然很高。這很大程度上是由于底瓷／飾瓷界面斷裂韌性較低,界面處容易出現(xiàn)缺陷和裂紋,而通常研究中一般采用界面結(jié)合強(qiáng)度來表征界面結(jié)合性能,忽略了對界面斷裂力學(xué)性能的研究。本文從斷裂力學(xué)角度來考察底瓷/飾瓷界面的性能。首先,通過界面斷裂力學(xué)實驗研究不同底瓷表面處理方法對底瓷/飾瓷界面斷裂韌性的影響,為雙層固定橋的制作工藝提供參考。結(jié)果表明,通常使用的噴砂和涂覆結(jié)合劑的方法均會降低界面韌性,因此兩種方法應(yīng)謹(jǐn)慎使用。然后,考察了疲勞加載對界面斷裂韌性的影響,實驗結(jié)果顯示疲勞加載對界面斷裂韌性沒有顯著降低作用,說明起始于界面的斷裂不是由于疲勞產(chǎn)生的,而是由于瞬時載荷的大小和方向使界面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子或其他斷裂力學(xué)指標(biāo)達(dá)到材料的臨界值。界面裂紋在失穩(wěn)擴(kuò)展時有兩種可能,一種是沿界面擴(kuò)展,另一種是偏離界面向界面兩側(cè)的基體材料中擴(kuò)展。因此,對界面斷裂性能的完整評價應(yīng)包括沿界面擴(kuò)展準(zhǔn)則和偏向擴(kuò)展準(zhǔn)則兩部分。本文設(shè)計了一種界面混合模態(tài)斷裂性能測試試件,通過大范圍相位角下的界面斷裂力學(xué)實驗建立了底瓷/飾瓷界面的斷裂準(zhǔn)則,揭示了固定橋的斷裂機(jī)理,為提高固定橋的斷裂韌性提供了依據(jù)。建立準(zhǔn)確有效的有限元模型是對固定橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提。但是,有限元模型是對實際分析對象、邊界條件的簡化,這些簡化導(dǎo)致模型與實際情況產(chǎn)生偏差。目前關(guān)于固定橋有限元分析的研究中很少對建立的模型進(jìn)行驗證,在進(jìn)行驗證的研究中一般采用固定橋的承載載荷值或斷裂方式來驗證有限元模型。然而由于用來對比的信息過少這種驗證并不能直接反映模型的準(zhǔn)確性。本文采用逆向工程方法建立固定橋的三維模型和有限元模型,并將電測應(yīng)力法測量出的應(yīng)變值與有限元分析所得應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。利用驗證后的模型分析了固定橋在口腔中使用時的應(yīng)力分布。在最大咬合力作用下,連接體頰面的飾瓷處產(chǎn)生超過飾瓷彎曲強(qiáng)度的拉應(yīng)力,這說明固定橋結(jié)構(gòu)還存在設(shè)計不合理的地方,需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。此外,利用有限元模型,采用瞬態(tài)熱—結(jié)構(gòu)耦合分析計算了固定橋燒結(jié)過程中由于兩種材料熱、彈性性質(zhì)的不同而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。計算表明,飾瓷表面大部分區(qū)域受到少量殘余壓應(yīng)力作用,飾瓷內(nèi)部的應(yīng)力分布與瓷層的彎曲形狀有關(guān),牙尖內(nèi)部的飾瓷為拉應(yīng)力區(qū)域,并在底瓷/飾瓷界面處達(dá)到最大值。目前對于固定橋結(jié)構(gòu)的研究一般只針對一個因素或少數(shù)幾個因素對固定橋強(qiáng)度的影響,大多是利用有限元分析、強(qiáng)度實驗或二者的結(jié)合對幾種不同結(jié)構(gòu)的固定橋進(jìn)行比較。很少有研究對其進(jìn)行全面的優(yōu)化。本文利用響應(yīng)曲面法對固定橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化�；贐ox-Behnken法設(shè)計實驗,并利用前面建立的有限元模型對每一組參數(shù)組合進(jìn)行仿真計算。根據(jù)計算結(jié)果建立響應(yīng)曲面并通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計算,得到最優(yōu)解。該優(yōu)化結(jié)果使得固定橋的體積減小19.7%,基牙磨切量降低20.2%,并且實現(xiàn)了基牙磨切量各參數(shù)的量化。最終達(dá)到了基牙磨切量最小,承載能力盡可能最高,美觀度最好的目的。
【關(guān)鍵詞】：固定橋 應(yīng)力分析 界面斷裂力學(xué) 殘余應(yīng)力 優(yōu)化設(shè)計
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R783.1
【目錄】：

• 摘要12-15
• Abstract15-18
• 第一章 緒論18-34
• 1.1 引言18
• 1.2 全瓷固定橋材料與制作工藝18-23
• 1.2.1 全瓷固定橋18-21
• 1.2.2 全瓷固定橋材料及其性能21-22
• 1.2.3 全瓷固定橋的制作工藝22-23
• 1.3 全瓷固定橋界面性能研究現(xiàn)狀23-26
• 1.3.1 界面結(jié)合性能研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3.2 界面斷裂力學(xué)方法24-26
• 1.4 全瓷固定橋應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀26-31
• 1.4.1 固定橋應(yīng)力分析研究現(xiàn)狀26-28
• 1.4.2 固定橋殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀28-29
• 1.4.3 固定橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀29-30
• 1.4.4 響應(yīng)曲面法30-31
• 1.5 課題提出及研究內(nèi)容31-34
• 1.5.1 課題提出31-32
• 1.5.2 研究內(nèi)容32-33
• 1.5.3 論文總體框架33-34
• 第二章 底瓷/飾瓷雙層梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析34-50
• 2.1 引言34-35
• 2.2 底瓷、飾瓷材料力學(xué)性能測試35-37
• 2.2.1 研究所用材料35
• 2.2.2 彎曲強(qiáng)度、彈性模量測試35-37
• 2.3 雙層梁應(yīng)力分布模型37-43
• 2.3.1 飾瓷燒結(jié)過程37-38
• 2.3.2 殘余應(yīng)力分布模型38-40
• 2.3.3 彎曲應(yīng)力分布模型40-42
• 2.3.4 雙層梁理論斷裂載荷計算42-43
• 2.4 雙層梁有限元分析43-44
• 2.5 雙層梁三點彎曲實驗與應(yīng)力分布模型驗證44-48
• 2.5.1 三點彎曲實驗44
• 2.5.2 實驗結(jié)果與模型驗證44-48
• 2.6 本章小結(jié)48-50
• 第三章 底瓷/飾瓷界面斷裂力學(xué)性能研究50-82
• 3.1 引言50-51
• 3.2 界面裂紋的奇異應(yīng)力場51-52
• 3.3 界面斷裂力學(xué)參數(shù)52-55
• 3.3.1 能量釋放率52-54
• 3.3.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子與相位角54-55
• 3.4 底瓷表面處理對底瓷/飾瓷界面斷裂韌性的影響55-64
• 3.4.1 四點彎曲界面斷裂實驗56-58
• 3.4.2 界面斷裂韌性計算58
• 3.4.3 結(jié)果與討論58-64
• 3.5 疲勞加載對界面斷裂韌性的影響64-65
• 3.5.1 實驗方法64
• 3.5.2 結(jié)果與分析64-65
• 3.6 底瓷/飾瓷界面混合模態(tài)斷裂性能研究65-79
• 3.6.1 界面斜切口三點彎曲試樣65-69
• 3.6.2 界面斷裂力學(xué)參數(shù)及T應(yīng)力計算69
• 3.6.3 偏折斷裂準(zhǔn)則69-71
• 3.6.4 最大能量釋放率準(zhǔn)則中系數(shù)的求解71-74
• 3.6.5 飾瓷斷裂韌性實驗74
• 3.6.6 結(jié)果與討論74-79
• 3.7 本章小結(jié)79-82
• 第四章 固定橋有限元模型建立與應(yīng)力分析82-100
• 4.1 引言82
• 4.2 固定橋三維模型重構(gòu)及有限元模型建立82-86
• 4.3 有限元模型的驗證86-89
• 4.3.1 電測應(yīng)力實驗86-87
• 4.3.2 實驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比87-89
• 4.4 固定橋靜力分析89-91
• 4.5 固定橋殘余應(yīng)力分析91-98
• 4.6 本章小結(jié)98-100
• 第五章 固定橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計100-114
• 5.1 引言100
• 5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型與固定橋試驗設(shè)計100-110
• 5.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型100-105
• 5.2.2 響應(yīng)曲面試驗設(shè)計與有限元仿真105-107
• 5.2.3 響應(yīng)曲面結(jié)果分析107-110
• 5.3 優(yōu)化計算110-112
• 5.3.1 最優(yōu)結(jié)果確定110
• 5.3.2 優(yōu)化結(jié)果驗證110-112
• 5.4 本章小結(jié)112-114
• 第六章 總結(jié)與展望114-117
• 6.1 作總結(jié)114-116
• 6.2 創(chuàng)新點116
• 6.3 研究展望116-117
• 參考文獻(xiàn)117-125
• 附錄 位移外推法求應(yīng)力強(qiáng)度因子和相位角部分命令流125-128
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加科研項目128-130
• 致謝130-132
• 已發(fā)表的英文論文132-150
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表150

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 譚建國;周永勝;;牙科陶瓷材料[J];中國實用口腔科雜志;2009年07期

  本文關(guān)鍵詞：雙層全瓷固定橋力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：326282