可调式自锁托槽的摩擦力研究及有限元分析

论文摘要

背景和目的1935年,当第一种自锁托槽Russell Lock诞生的时候,并未引起正畸医师的广泛关注。发明者Jacob Stolzenberg医生认为自锁托槽具有减少复诊时间,病人感觉舒适,缩短正畸治疗总疗程等优点,但是由于Russell Lock自锁托槽结构相对简单,缺乏类似方丝弓托槽的双翼结构,没有得到其他正畸医生的认可,也最终没有成为一种被广泛应用的自锁托槽。20世纪70年代以后,随着正畸技术的发展,各种自锁托槽相继推出,例如：SPEED（Spring-loaded, Precision, Edgewise, Energy, Delivery）自锁托槽、Activa自锁托槽、Time自锁托槽、TwinLock自锁托槽、Damon SL、DamonⅡ自锁托槽、SmartClip自锁托槽和In-Ovation自锁托槽等。以上各种类型的自锁托槽,大致可以根据滑盖或弹簧夹与托槽槽沟的接触形式分为两类：被动型和主动型。两类自锁托槽都具有的特点是：①不需要传统的不锈钢结扎丝或弹力橡胶圈；②利用托槽上可以开关的滑盖、弹簧夹,或是托槽自身的弹性结构,将矫治弓丝限定在托槽槽沟中；③操作便捷,节省椅旁操作时间,易于清洁。相对于传统直丝弓托槽,最新的自锁托槽不仅吸收了直丝弓托槽在正畸治疗中表现的大部分特点和能力,而且具备传统直丝弓托槽所没有的诸多优点。这一点大大推动了自锁托槽在正畸临床的广泛应用。美国正畸医生已经积累了十多年使用Damon系列自锁托槽的临床经验。2003年,由3M公司推出的Smartclip自锁托槽,因为结构简洁,使用方便,商业运作较为成功,也吸引了部分正畸医生将其应用到临床。我国自上个世纪90年代就有使用加拿大SPEED自锁托槽的尝试。2000年之后,中国正畸医生们意识到自锁托槽的优势,逐渐开始学习引进并尝试在临床使用。在数年的临床应用过程中,不断的总结经验,探索自锁托槽的使用要点,论证其临床应用价值和前景。在使用自锁托槽的过程中,正畸医生们发现自锁托槽除了具有前述的优点,例如较轻的正畸矫治力,摩擦力较小,缩短矫治疗程之外,同样也有部分缺点,例如价格昂贵,矫治器对牙齿的三维控制能力下降,托槽结构相对复杂,容易损坏等。在美国和欧洲,自锁托槽因为具有良好的经济前景,吸引了众多公司投入人力物力与正畸医生合作进行开发研究,取得了大量的成果和专利,并将其应用于临床。正畸器材的发展,离不开正畸医生,同样也离不开这些大公司的科研开发。自锁托槽成为继MBT直丝弓托槽之后,又一个正畸临床与商业运作成功结合的范例。我国正畸医生使用的自锁托槽,大多数是国外公司的产品,价格比较昂贵。目前国内有关自锁托槽的知识产权比较少,不利于自锁托槽在我国的推广和应用,因此有必要在自锁托槽的设计上进行研究,为建立我国拥有自主知识产权的自锁托槽系统做初步探索。本研究在总结常用的自锁托槽优缺点的基础上,设计了一种新型自锁托槽,并绘制了详细的图纸,制作了放大的托槽模型,对新托槽进行实验室研究。本研究分为两部分：第一部分,在实验室对新托槽模型进行体外摩擦力实验,研究在不同调节状态下,托槽对摩擦力的控制能力。第二部分,采用Pro/E软件对新托槽进行建模,运用三维有限元法对其进行分析,模拟口腔内的复杂力学环境,研究在不同受力状态下,托槽内部的应力变化状况,判断其在临床应用过程中的可靠性。材料与方法1.可调式自锁托槽的摩擦力研究首先我们设计一种新型的自锁托槽,绘制详细的图纸,并申请了专利（专利号ZL200620084676.4）。制作尺寸20倍的钢质托槽模型,同时制作尺寸20倍的钢质圆丝和方丝,直径分别为7.2mm、8.2mm、9.2mm的钢质圆丝（对应直径0.36mm、0.41 mm、0.46mm圆丝）,以及9.2mm X 12.8mm（对应0.46mm X 0.64mm）和9.7×12.8mm（对应0.485mm X 0.64mm）的钢质方丝,弓丝长度均为400mm。由于普通钢与钢之间的摩擦系数与不锈钢相同,因此钢质的不同对实验结果的影响不大。把新托槽模型固定在一个方槽内,以确保其不发生移动。方槽的两端放置两个定位器,以确保弓丝在托槽中处于无转矩、无倾斜的中央位置。将弓丝的端固定在拉力传感器上,传感器的另一端固定在电机的传动杆上,当电机和变速器开始拉动传动杆时,传感器把形变信号转化为电压信号并且传送到计算机内,计算机记录拉力的变化情况。开始实验前,调解定位器,使其与弓丝的接触是相切无压力状态,定位器的高度与托槽槽沟持平,然后,电机和变速器以2mm/min的速度拉动弓丝。由于可调式装置可以通过旋转上升和下降,垫片与弓丝之间的位置可以发生变化。实验中垫片的位置分为四种状态：最高,与弓丝平面无压力状态相切,旋转0.5圈,旋转1圈。托槽槽沟无转矩,无轴倾角,弓丝处于槽沟的中央位置。由于有5种弓丝,分为4种状态,产生20种组合,每种组合测试10次。在测试前弓丝和托槽用95%酒精进行擦拭,避免油脂产生润滑作用。实验在室温24度,干燥状态下进行。每次更换弓丝时,同时更换托槽模型以避免磨损导致摩擦力下降。使用光学显微镜观察摩擦平面,以确认未发现明显的磨损。摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力两种情况,在记录的时候分开进行,弓丝开始运动时摩擦力的最大值作为静摩擦力数值,而弓丝开始稳定运动3mm以后数值作为动摩擦力。力值大小通过拉力传感器输入计算机,然后采用专用计算机软件进行处理。数据结果采用SPSS11.0软件进行分析。2.摩擦力可调式自锁托槽的三维有限元分析首先选择进口的SUS304钢作为试验托槽的材料,确定SUS304的密度、维氏硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、弹性模量、泊松比的指标。采用Pro/E软件定义单元类型、实常数、材料属性、网格尺寸,划分网格。本模型采用8节点六面体进行人工分网,分为320个节点,304个单元。在托槽的近远中面进行固定约束,在托槽的上部结构中心从0°-180°加载200N的表面载荷,然后从托槽槽沟内部向托槽盖的中心0°-180°加载200N的表面载荷,在Ansys Workbench中进行求解分析,应用自锁托槽的Von Mises应力（Equivalent stress, EQV应力）峰值进行力学评估。采用Ansys软件,对结果进行记录分析结果1.在垫片完全收入的状态下,7.2mm、8.2mm、9.2mm的钢圆丝（对应直径0.36mm、0.41mm、0.46mm圆丝）,以及9.2mm X 12.8mm（对应0.46mm X 0.64mm）和9.7×12.8mm（对应0.485mm X 0.64mm）的不锈钢方丝的动静摩擦力均低于1N；垫片与弓丝无压力接触的状态时,所有弓丝的动、静摩擦力与前者无显著性差异；在继续旋转0.5圈之后,所有弓丝的动、静摩擦力与前两者之间有显著性差异（P<0.01）；旋转1圈之后,方丝的摩擦力过大,未能测量出结果,所有圆丝的动、静摩擦力与前三者之间有显著性差异（P<0.01）。2.（1）当从不同角度对外部表面载荷加载过程中,模型应力分布情况比较相似。应力主要集中在轴的表面,盖与底座接合部位（开关处）。当外部载荷与模型X轴呈30°时,模型的应力峰值最大。（2）当槽沟内部加载表面载荷的过程中,模型应力分布也比较相似,主要集中在轴的表面,垫片的下缘和盖与底座接合部位（开关处）。当表面载荷与模型X轴呈80°时,模型的应力峰值最大。结论1、可调式托槽通过上部调节装置的旋转,可以有效的调节摩擦力的大小,达到控制摩擦力大小的目的。2、圆丝与方丝在托槽内滑动时,动、静摩擦力之间有显著差异,方丝大于圆丝。3、当垫片位于完全收入的状态下或者垫片与弓丝相切时,弓丝与托槽的解除状态与Damon被动自锁托槽相似。4、当可调式托槽在口内受到外部表面加载力时,轴的表面,盖与底座接合部位（开关处）是主要的应力集中区域,容易发生损坏；当外部载荷与模型X轴呈30°时,模型的应力峰值最大。5、当槽沟内部加载表面载荷的过程中,轴的表面,垫片的下缘和盖与底座接合部位（开关处）是主要的应力集中区域。当表面载荷与模型X轴呈80°时,模型的应力峰值最大。6、不论是外部加载还是内部加载表面负荷,其应力峰值均小于不锈钢的屈服系数,可调式托槽可以承受正常口腔内压力而不发生永久形变。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 第一部分 可调式自锁托槽的摩擦力研究
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 附图表
• 第二部分 可调式自锁托槽的三维有限元分析
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 附图表
• 综述
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢
• 外文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表