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(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)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?yàn)楹穸缺炔煌?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。研究表明,當(dāng)?shù)状桑棿珊穸缺葹?：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,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)果建立響應(yīng)曲面并通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(shí)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(jì)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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?jī)?nèi)容31-34
• 1.5.1 課題提出31-32
• 1.5.2 研究?jī)?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(cè)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(cè)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(jì)算42-43
• 2.4 雙層梁有限元分析43-44
• 2.5 雙層梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)與應(yīng)力分布模型驗(yàn)證44-48
• 2.5.1 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)44
• 2.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型驗(yàn)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(chǎng)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(duì)底瓷/飾瓷界面斷裂韌性的影響55-64
• 3.4.1 四點(diǎn)彎曲界面斷裂實(shí)驗(yàn)56-58
• 3.4.2 界面斷裂韌性計(jì)算58
• 3.4.3 結(jié)果與討論58-64
• 3.5 疲勞加載對(duì)界面斷裂韌性的影響64-65
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證86-89
• 4.3.1 電測(cè)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)86-87
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)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(jì)100-114
• 5.1 引言100
• 5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型與固定橋試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)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(diǎn)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(xiàng)目128-130
• 致謝130-132
• 已發(fā)表的英文論文132-150
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表150

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 譚建國(guó);周永勝;;牙科陶瓷材料[J];中國(guó)實(shí)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(hào)：326282