基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法与流程

本发明涉及优化设计方法，特别涉及一种基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法。

背景技术：

1、近年来隐形正畸技术快速发展，隐形正畸技术是患者通过佩戴不同形状的隐形矫治器，隐形矫治器依靠发生轻微的弹性变形力逐步使患者的牙齿按照技师矫正方案移动，从而最终实现患者牙齿的正畸治疗。

2、隐形正畸矫治器是通过牙科膜片在压膜机上热压成型而成，牙科膜片分为单层牙科膜片和多层牙科膜片，隐形正畸矫治器也相应分为单层隐形正畸矫治器和多层隐形正畸矫治器，其中多层牙科膜片和多层隐形矫治器的应力松弛率低于单层牙科膜片和单层隐形矫治器的应力松弛率，在隐形矫正行业属于高端医疗耗材。多层牙科膜片一般通过多层共挤设备制备而成，也就是先挤出单层牙科膜片，然后在共挤设备中共挤得到一体的多层牙科膜片，然而这种多层共挤设备制作费用昂贵，对于一般的隐形正畸厂家来说成本过高。

3、为降低成本，如申请号为cn202310979472.5(申请公开号为cn116849845a)的中国发明专利公开了一种低成本多层牙科膜片和矫治器及其制造方法，虽然该专利通过叠合2张或2张以上的单层牙科膜片在现有压膜机上直接制作，免去了昂贵的多层共挤设备制作和加工费用，成本低；然而这种假性复合多层矫治器在复杂的一些矫治方案中会存在层间相互滑动移位的情况，从而影响矫治效果，因此亟需对假性复合多层矫治器进行结构优化设计；但是由于多层矫治器结构具有复杂非线性特点，导致结构优化设计方面缺乏理论设计方法，因此现有技术往往采用经验和试错方法，成本高、周期长。为此需要对现有技术作进一步的改进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术，而提供一种能提高矫治效果的基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法，其特征在于包括：

3、有限元几何建模模块，用于对多个不同结构的假性复合多层矫治器进行几何建模，构建多个假性复合多层矫治器的有限元几何模型；

4、有限元物理建模模块，与有限元几何建模模块的输出端相连接，用于设置每个假性复合多层矫治器的层间界面摩擦系数；

5、有限元计算模块，与有限元物理建模模块的输出端相连接，用于计算每个不同结构的假性复合多层矫治器不同层材料的应力和位移；以及

6、结果分析评判模块，与有限元计算模块的输出端相连接，用于对每个假性复合多层矫治器不同层材料的应力和位移进行分析和评判，获取优化设计后的假性复合多层矫治器结构。

7、优选地，每个假性复合多层矫治器的矫治器均为3层。

8、优选地，所述有限元几何建模模块的几何建模过程为：

9、获取患者牙齿和整体颌骨的原始dicom数据，并对原始dicom数据进行处理获得牙齿和整体颌骨的stl数据；

10、对牙齿和整体颌骨的stl数据进行处理，获得牙周膜stl数据；

11、对整体颌骨与牙齿进行布尔相减运算，得到牙窝结构颌骨；并对牙窝结构颌骨与牙周膜进行布尔相减运算得到牙槽骨stl数据；

12、绘制一定形状的固位结构并存储为stl数据，在特定软件中选择一个合适大小的牙齿作为牙龈，利用复制和移动功能对牙列间隙进行填充，同时导入一定形状的固位结构在特定的牙齿位置，根据模拟的矫治方案移动相应的牙齿，然后对所有牙齿、牙龈和固位结构进行布尔运算形成一个整体，采用绘制曲线功能在整体上绘制一个矫治器形状曲线；

13、将矫治器形状曲线转化为界线后，选择矫治器形状曲线包围的曲面s，对选择好的曲面s进行抽壳n1 mm，获得m1矫治器的stl数据；对选择好的曲面s进行抽壳n2 mm，获得m2矫治器的stl数据；对选择好的曲面s进行抽壳n3 mm，获得m3矫治器的stl数据，其中n1、n2和n3均为常数，且n1>n2>n3；

14、将m1矫治器的stl数据和m2矫治器的stl数据进行布尔相减运算并进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的外层矫治器stl数据；

15、将m2矫治器的stl数据和m3矫治器的stl数据进行布尔相减运算并进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的中层矫治器stl数据；

16、对m3矫治器的stl数据进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的内层矫治器stl数据；

17、将假性复合多层矫治器的外层矫治器stl数据、假性复合多层矫治器的中层矫治器stl数据和假性复合多层矫治器的内层矫治器stl数据分别转化为sat格式数据，即得到假性复合多层矫治器的外层矫治器的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的中层矫治器的有限元几何模型和假性复合多层矫治器的内层矫治器的有限元几何模型。

18、优选地，所述有限元几何建模模块还包括分别对牙列、牙周膜和牙槽骨进行几何建模。

19、优选地，所述有限元几何建模模块还包括牙列、牙周膜和牙槽骨的几何建模过程，具体为：

20、获取牙齿的stl数据、牙周膜的stl数据和牙槽骨的stl数据，并将牙齿的stl数据、牙周膜的stl数据和牙槽骨的stl数据分别转化为sat格式数据，即得到牙齿的有限元几何模型、牙周膜的有限元几何模型和牙槽骨的有限元几何模型。

21、优选地，所述有限元物理建模模块的具体建模过程为：

22、将牙齿的有限元几何模型、牙周膜的有限元几何模型、牙槽骨的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的外层矫治器的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的中层矫治器的有限元几何模型和假性复合多层矫治器的内层矫治器的有限元几何模型均导入到有限元软件中；

23、在有限元软件中分别对牙齿、牙周膜和牙槽骨、假性复合多层矫治器的外层矫治器、假性复合多层矫治器的中层矫治器和假性复合多层矫治器的内层矫治器的材料本构参数进行赋值；

24、并将牙齿、牙周膜内侧、牙周膜外侧和牙槽骨设置为绑定约束；将牙齿和假性复合多层矫治器的内层矫治器、假性复合多层矫治器的内层矫治器和假性复合多层矫治器的中层矫治器、假性复合多层矫治器的中层矫治器和假性复合多层矫治器的外层矫治器均设置为接触，并以罚函数模拟接触摩擦系数，假性复合多层矫治器的不同层间摩擦系数对应不同层间的粗糙度结构设计；对牙槽骨进行完全固定约束，其余为自由约束；网格采用四面体网格划分。

25、优选地，所述有限元计算模块采用静力通用程序。

26、优选地，所述结果分析评判模块的具体评判过程为：

27、如果假性复合多层矫治器不同层材料的最大应力大于第一预定阈值，或者假性复合多层矫治器不同相邻层相互错位移动的位移大于第二预定阈值，则说明该假性复合多层矫治器结构在模拟的矫治方案中不合适，需调整固位结构位置、固位结构形状和假性复合多层矫治器层间摩擦系数，直至假性复合多层矫治器不同层材料的最大应力小于第一预定阈值且假性复合多层矫治器不同相邻层相互错位移动的位移数据小于第二预定阈值，则获得优化设计后的假性复合多层矫治器结构。

28、与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对不同结构的假性复合多层矫治器进行有限元几何建模，并设置每个假性复合多层矫治器的层间界面摩擦系数，最终计算假性复合多层矫治器不同层材料的应力和位移，并使用不同层材料的应力和位移来评判假性复合多层矫治器的结构性能，从而完成了假性复合多层矫治器的固位结构形状、固位结构位置和层间粗糙度等结构参数的结构优化设计。因此该方法科学、直观且便捷，提高了矫治效果，避免了现有技术的高成本和长周期问题，并且具有很高的实用价值，值得大范围推广应用。