(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210695400.3 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 淮阴工学院 地址 223005 江苏省淮安市经济技 术开发 区枚乘路1号 (72)发明人 邹赟　袁天然　孙全平　朱武进　 孙雨晴　 (74)专利代理 机构 淮安市科文知识产权事务所 32223 专利代理师 吴宏宇 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及 有限元方法 (57)摘要 本发明公开了一种牙胶片制作正畸矫治器 过程的建模及有限元方法， 用于对 无托槽透明矫 治器制作过程的成型机理进行建模及分析。 该方 法首先对矫治器成型过程中的牙胶片、 牙颌母 模、 成型装置进行三维建模 （本构模型） 和等效 （物理、 力学等） 参数模型设计； 然后根据牙胶片 制作矫治器的成型机理， 将其过程分为加热阶段 重力作用下的自由热塑变形， 具有边界约束的热 塑性接触变形分析、 真空吸附成型阶段的粘弹塑 性吸附成型变形分析， 成型稳定后牙胶片厚度变 化分布云图分析共四个阶段分析过程； 矫治器对 应的厚度变化云图， 可作为矫治器局部成型效果 和力学性能的判断依据。 本发明提出了一种对牙 胶片生成矫治器的统一建模及成型后厚度尺寸 和力学性能的分析方法， 可用于对 所生成矫治器 的厚度变化规律和矫治器的作用力效果进行预 测。 权利要求书3页 说明书11页 附图6页 CN 114861507 A 2022.08.05 CN 114861507 A 1.一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 针对无托槽透明矫治器硬膜 牙胶片制作过程的成型机理进行建模及分析， 其特征在于， 首先对正畸矫治器成型设备及 牙胶片进行三维建模及等效参数设计， 然后根据牙胶片制作矫治器的成型机理， 将其过程 分为加热阶段重力作用下 的自由热塑变形， 具有边界约束的热塑性接触变形分析、 真空吸 附成型阶段的粘弹塑性吸附成型变形分析， 成型稳定后牙胶片厚度变化分布云图分析共四 个阶段分析 过程； 最后对于成型 稳定后牙胶片的厚度变化 量和成型效果能进行分析。 2.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 对于无托槽透明矫治器 成型过程中所需成型装置及牙胶片进 行等效三维建模及等效参 数模型设计， 包括对牙胶片、 牙颌 母模、 成型装置的三维模型构建和参数化 等效模型设计。 3.根据权利要求2所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述等效三维模型构建包括， 三维牙颌母模的制备、 成型装置的简化建模， 对于等效三 维模型所建立的模型质量状况、 网格质量和空间约束给予参数化设定 。 4.根据权利要求3所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述模型质量状况、 网格质量的参数设定包括， 结合沃罗诺伊划分法则， 模型网格顶点 均匀地放置到模型边界范围内， 创建连续的高质量三角形网格， 得到高质量模型； 对三 维等 效网格模型的重新 参数化和生成多分辨 率模型。 5.根据权利要求3所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述牙胶片和母模之间的空间约束参数包括， 牙颌母模与牙胶膜片模型空间坐标保证 在同一轴线方向上， 牙胶膜片模型位于牙颌 母模中心上 方一定参数距离 。 6.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述加热阶段重力作用下的自由热塑变形包括， 实际牙胶膜片在被施加热源 条件后， 在 重力作用下产生的变形量可等效转换成均布 载荷力施加于牙胶膜片模型表面， 均 布载荷力 大小等同于牙胶膜片在被施加热源条件后自身质量所产生的重力。 7.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述具有边界约束的热塑性接触变形分析主要包括， 在自由热塑性变形达到一定量后， 牙胶膜片快速下落与牙颌母模相接触碰撞产生接触变形， 在分析过程中通过等效变换法对 于分析模型施加约束条件和载荷条件。 8.根据权利要求7所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述等效变换施加约束条件和载荷条件主要是指， 对于牙胶膜片模型施加固定约束条 件， 对于牙颌 母模施加位移载荷条件， 约束条件与位移载荷大小等效变换后数值大小相同。 9.根据权利要求8所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述对于牙颌母模施加的位移载荷条件是以时间变化的非线性函数， 在接触变形开始 阶段， 牙颌母模的移 位具有一定的加速度变量属于非线性运动， 在接触牙颌母模后， 由于摩 擦阻力因素， 运动速度数值会降低。 10.根据权利要求9所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法内容， 其特 征在于， 所述对于牙颌母模施加的位移载荷条件在实际生产中位移载荷变量具有瞬时性， 故而对于位移载荷条件主 要以线性 运动为例。 11.根据权利要求7 ‑10所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特 征在于， 牙颌母模与牙胶片之 间的接触变形主要由于牙胶片在被施加热源 条件后牙胶片模权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114861507 A 2型处于粘弹塑性状态， 在此状态下牙胶膜片具有良好的可塑性， 牙胶片模型于牙颌母模之 间在接触后还产生有一定的摩擦力； 两者接触状态采用动态检测， 主要采用阀值接触检测 方式， 节点到面的接触分散化， 提出一个一般的接触界面的离散化， 允许大的切向滑动， 模 型之间穿透参数 得到一定收敛。 12.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 所述真空吸 附成型阶段的粘弹塑性吸 附成型变形分析主要包括， 牙胶片模型与牙颌母 模模型初步形成热塑性接触变形， 牙胶片模型与牙齿母模模型初步吸 附贴合； 在吸 附阶段 对于牙颌 母模模型施加固定约束条件， 对于牙胶片模型施加压强或均布载荷力条件。 13.根据权利要求11所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征 在于， 在开始接触变形阶段， 牙胶膜片处于标准大气 压下， 两侧压强相同； 在吸附变形阶段， 牙胶片模型一侧与底座完全接触处于气密封避状态并伴 随着抽真空， 随着抽真空的进行， 牙胶片模型一侧压强小于外侧常规大气压强， 在大气压强作用下， 牙胶片模型吸 附变形贴 合至牙颌 母模上。 14.根据权利要求11 ‑12所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特 征在于， 所述吸 附成型变形阶段 的压强或均布载荷力条件通过等效变换法， 是以时间变化 的非线性函数； 在开始接触变形阶段， 两侧大气 压强相同， 在分析开始阶段压强载荷大小等 效为0数值； 在吸附过程中， 一侧处于真空状态下， 此时的压强数值随着时间的变化从等效 数值快速上升并逐步稳定在某一数值， 呈现以时间变化的非线性 函数。 15.根据权利要求14所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征 在于， 所述吸附成型变形阶段的压强或均布载荷力在实际生产中压强载荷变量具有瞬时 性， 故而在本专利中对于 压强载荷条件主 要以线性 函数变化 为例。 16.根据权利要求6 ‑15所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特 征在于， 所述三个分析阶段过程中， 牙胶片模型是在加热阶段重力作用下 的自由热塑变形 是具有加热的热粘塑变形模型， 到具有边界约束的热塑性接触变形分析在接触初始阶段是 粘弹塑性变形模型， 再到 真空吸附成型初始阶段的粘弹塑性变形模型， 最后待温度降低、 变 形稳定后处于的弹性变形阶段。 17.根据权利要求6 ‑15所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特 征在于， 所述三个分析阶段过程中， 分析过程模型网格参数使用自适应网格接触重划分技 术， 局部网格自适应重新参数化、 自适应细分， 提升局部网格质量， 尽可能减少整体网格有 限元体数量， 提高效率， 精确结果。 18.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征在 于， 成型稳定后牙胶片厚度变化分布云图分析作为矫治器局部成型效果和力学性能的判断 依据， 该种方法可用于对所生成矫治器的厚度变化 量和成型效果进行 预测。 19.根据权利要求18所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特征 在于， 所述矫治器局部成型效果和力学性能的判断主要为判断牙胶片模型成型后不同牙 位 的颊侧、 舌侧、 咬合面方向上的厚度分布情况； 厚度越小透明矫治器所能产生的实际矫治力 越小， 但在实际成型过程中受到非常大 的成型力； 通过判断牙胶片模型与牙颌母模的接触 密合程度来判断 吸附成型效果。 20.根据权利要求1 ‑19所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法， 其特权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114861507 A 3