雙層全瓷固橋力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、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(duì)缺失牙兩側(cè)健康基牙的磨切量大、磨切基牙時(shí)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(duì)固定橋的力學(xué)

2、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(duì)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(duì)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(duì)固定橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　兩層瓷材料的厚度比對(duì)斷裂模式、斷裂起始點(diǎn)和強(qiáng)度有很大的影響，因

3、為厚度比不同，固定橋受力時(shí)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(shí)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(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁的形式。因此通過分析雙層簡(jiǎn)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(duì)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(diǎn)壓彎時(shí)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(diǎn)彎曲測(cè)實(shí)驗(yàn)證了模型的正確性

4、。研究表明，當(dāng)?shù)状?飾瓷厚度比為1∶2到2∶1之間時(shí)，其對(duì)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

5、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(duì)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(shí)驗(yàn)研究不同底瓷表面處理方法對(duì)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(huì)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(duì)界面斷裂韌性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示疲勞加載對(duì)界面斷裂

6、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(shí)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(shí)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(duì)界面斷裂性能的完整評(píng)價(jià)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(jì)了一種界面混合模態(tài)斷裂性能測(cè)試試件，通過大范圍相位角下的界面斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)建立了底瓷/飾瓷界面的斷裂準(zhǔn)則，揭示了固定橋

7、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(duì)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(duì)實(shí)際分析對(duì)象、邊界條件的簡(jiǎn)化，這些簡(jiǎn)化導(dǎo)致模型與實(shí)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(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，在進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)證有限元模型。然而由于用來對(duì)比的信息過少這種驗(yàn)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

8、型，并將電測(cè)應(yīng)力法測(cè)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(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。利用驗(yàn)證后的模型分析了固定橋在口腔中使用時(shí)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(jì)不合理的地方，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，利用有限元模型，采用瞬態(tài)熱—結(jié)構(gòu)耦合分析計(jì)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(jì)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，

9、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(duì)于固定橋結(jié)構(gòu)的研究一般只針對(duì)一個(gè)因素或少數(shù)幾個(gè)因素對(duì)固定橋強(qiáng)度的影響，大多是利用有限元分析、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)或二者的結(jié)合對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的固定橋進(jìn)行比較。很少有研究對(duì)其進(jìn)行全面的優(yōu)化。本文利用響應(yīng)曲面法對(duì)固定橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化?；贐ox-Behnken法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并利用前面建立的有限元模型對(duì)每一組參數(shù)組合進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果建