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三种不同横截面形状的镍钛根管器械弯曲和扭转性能的计算机模拟研究

作　者: 陈露
导　师: 吴补领；高杰
学　校: 南方医科大学
专　业: 口腔临床医学
关键词: 镍钛根管器械弯曲性能扭转性能横截面形状有限元分析
分类号: R781.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

研究背景镍钛合金优越的超弹性加上独特的刃缘设计使镍钛根管器械能够通过电动马达将弯曲根管预备成理想的连续锥度,并保持根管原有的形态,但潜在的器械折断现象仍然是屡见不鲜。近年来,有关镍钛根管器械折断影响因素的研究、不同镍钛根管器械弯曲和扭转性能或抗循环疲劳性能的比较研究多为临床和实验研究。尽管这些也是必须的,但计算机模拟研究可以作为临床和实验研究的重要信息补充和理论支持。事实上,计算机模拟研究可以将导致器械折断的最大应力应变量化,还可以通过改变模型的边界条件和载荷状态比较器械在不同条件下的应力应变状况,且不掺杂操作者影响因素,这些都是临床和实验研究无法实现的。镍钛根管器械折断的影响因素很多,众多的研究已经证实,横截面形状在很大程度上决定了镍钛根管器械的机械性能,进而影响其折断的几率。因此,为了比较三种不同横截面形状的镍钛根管器械的弯曲和扭转性能,为临床合理选择和使用这些器械提供参考依据,本研究从生物力学的角度出发,利用有限元分析法设计并进行如下实验。研究目的将Micro-CT扫描技术和Hyperworks 10.0、Pro/E3.0、ANSYS 12.1等软件相结合,建立三种不同横截面形状的镍钛根管器械的三维实体和有限元模型、八种不同弯曲根管的三维几何和有限元模型。通过比较同一器械(以ProTaper F3为例)进入八种不同弯曲根管的应力分布状况,研究根管的弯曲参数对镍钛根管器械应力分布的影响,从而证实有限元分析法在认识镍钛根管器械预备根管时的机械力学性能方面的有用性,并为后续的实验挑选出最危险弯曲根管和最安全弯曲根管。在此基础上,通过三种不同横截面形状的镍钛根管器械模拟体外弯曲实验和模拟临床弯曲状态下的应力分布状况比较其弯曲性能。体外弯曲实验是指模拟三种器械尖端受到相同的弯曲位移；临床弯曲状态是指模拟三种器械在最危险弯曲根管中动态移动至根尖孔的过程。其次,通过三种不同横截面形状的镍钛根管器械模拟体外扭转实验和模拟临床扭转状态下的应力分布状况比较其扭转性能。体外扭转实验是指模拟三种器械手柄端受到相同的扭矩,而临床扭转状态是指模拟器械尖端在最安全弯曲根管中卡住,手柄端仍然受到扭矩的过程。通过分别对器械弯曲和扭转状态的模拟,研究不同横截面形状对镍钛根管器械机械性能的影响,为临床合理选择和使用这些镍钛根管器械提供一定的理论指导。材料与方法第一章三种不同横截面形状的镍钛根管器械的三维实体和有限元模型、八种弯曲根管的几何和有限元模型的建立第一部分三种不同横截面形状的镍钛根管器械三维实体和有限元模型的建立选择三种不同横截面形状的机用镍钛根管器械：ProFile.06/#30、ProTaper F3、ProTaper Universal F3,用micro-CT系统对器械进行扫描,扫描层厚为14um。将扫描断层图像以IGES格式导入Hyperworks 10.0中进行三维重建。用四面体单元对三维实体模型进行网格划分,得到三维有限元模型,单元类型为solid 185。将文件以cdb格式导入有限元分析软件ANSYS 12.1中,设置镍钛合金非线性的材料参数。第二部分八种弯曲根管几何和有限元模型的建立将复杂的弯曲根管简化为实体管状结构,包括线段与弯曲段这两个基本组成部分。决定弯曲段的参数为弯曲角度、弯曲半径和弯曲部位。根管材料参数被定义为牙本质,根管内面被定义为光滑线弹性,总长度为12.9mm,根管壁的厚度为0.1mm,根管直径比镍钛根管器械(以ProTaper F3为例)宽约0.02mm。结合不同的弯曲参数,在Pro/E 3.0中建立八类根管的几何模型,以IGES格式导入Hyperworks 10.0中,用六面体单元对其进行网格划分,得到三维有限元模型,单元类型为solid185。将文件以cdb格式导入有限元分析软件ANSYS12.1中,设置根管的几何参数和材料参数。第二章根管的弯曲参数对镍钛根管器械应力分布的影响研究以ProTaper F3为例,器械从根管口行进至根尖,观察器械到达八种不同根管根尖瞬间的应力分布云图及最大von Mises应力,并对器械在八种弯曲根管内的最大von Mises应力进行分析,评价根管的弯曲参数对镍钛根管器械应力分布的影响；并为后续的实验挑选最危险弯曲根管和最安全弯曲根管。第三章三种不同横截面形状的镍钛根管器械弯曲和扭转性能的计算机模拟研究第一部分三种不同横截面形状的镍钛根管器械弯曲性能的计算机模拟研究1、将三种镍钛根管器械的手柄端悬臂固定,尖端垂直强制位移3.5mm,加载方式为静态加载。观察Von-mises应力分布云图、最大Von-mises应力和弯矩。2、以最危险弯曲根管为实验根管,三种不同横截面形状的镍钛根管器械从根管口移动至根尖孔瞬间接触。观察三种镍钛根管器械到达根尖孔瞬间的应力分布云图和最大von Mises应力。第二部分三种不同横截面形状的镍钛根管器械扭转性能的计算机模拟研究1、将镍钛根管器械尖端3mm固定,手柄端施予顺时针向2.5Nmm扭转力矩。加载方式为静态加载。观察Von-mises应力分布云图、最大Von-mises应力和转动弧度。2、以最安全弯曲根管为实验根管,三种不同横截面形状的镍钛根管器械从根管口匀速移动至根尖孔瞬间接触,假设器械尖端在离根尖1mm处卡住,杆部给予2.5Nmm瞬间扭矩。观察三种镍钛根管器械在扭转瞬间的应力分布云图及最大von Mises应力。结果1、本实验成功建立了三种不同横截面形状的镍钛根管器械的三维实体模型和有限元模型、八种不同弯曲根管的几何模型和有限元模型。2、本实验应力分布结果表明：弯曲角度越大,弯曲半径越小,器械的型号越大,镍钛根管器械的应力水平越高。其中,弯曲半径是决定镍钛根管器械应力水平最为关键的参数。3、本实验应力分布表明：U形三角的ProFile的弯曲应力最小,凸边三角的ProTaper的扭转应力最小。在弯曲模拟条件下,应力集中位于ProFile的凹槽、ProTaper和ProTaper Universal的切缘；在扭转模拟条件下,应力集中位于ProTaper的凸边、ProFile和ProTaper Universal的凹槽。结论1、本实验表明三维有限元分析法可以成功的对不同镍钛根管器械在不同边界条件和载荷状态下的机械性能进行模拟研究。2、根管的弯曲参数显著影响镍钛根管器械在弯曲根管中的应力分布。通过对最危险使用条件的观察,我们认为为了防止镍钛根管器械的损伤与折断,大号镍钛根管器械在急弯根管的使用后应该丢弃。3、镍钛根管器械的横截面形状显著影响其弯曲和扭转性能：①ProTaper和ProTaper Universal适合狭窄细小根管的预备；而ProFile更适合弯曲根管的预备,预备狭小根管需谨慎。②U形小凹槽改良设计提高了ProTaper Universal的抗弯性能,却使抗扭转性能稍有降低。

全文目录

摘要  3-8
ABSTRACT  8-16
前言  16-19
第一章三种不同横截面形状的镍钛根管器械三维实体和有限元模型、八种弯曲根管几何和有限元模型的建立  19-32
  第一部分三种不同横截面形状的镍钛根管器械三维实体和有限元模型的建立  19-25
    材料与方法  19-21
    结果  21-23
    讨论  23-25
  第二部分八种弯曲根管几何和有限元模型的建立  25-32
    材料与方法  25-27
    结果  27-29
    讨论  29-32
第二章根管的弯曲参数对镍钛根管器械应力分布的影响研究  32-43
  材料与方法  32-33
  结果  33-39
  讨论  39-43
第三章三种不同横截面形状的镍钛根管器械弯曲和扭转性能的计算机模拟研究  43-59
  材料与方法  43-46
  结果  46-54
  讨论  54-59
全文总结  59-60
参考文献  60-65
综述  65-75
  参考文献  71-75
攻读硕士期间主要成果  75-79
成果  79-80
致谢  80-83
统计学证明  83

三种不同横截面形状的镍钛根管器械弯曲和扭转性能的计算机模拟研究

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