Параметрическое моделирование и оценка напряженно-деформированного состояния винта HYRAX

Параметрическое моделирование и оценка напряженно-деформированного состояния винта HYRAX ортодонтического аппарата для перемещения зубов


Изготовление протезов и ортодонтических аппаратов, учитывающих особенности физико-механических свойств материалов, используемых при изготовлении ортодонтических аппаратов и протезов, — одна из основных задач современной ортопедической стоматологии и ортодонтии.

В настоящее время с целью лечения трансверзальных аномалий и деформаций верхней челюсти широко используется методика быстрого расширения верхней челюсти. Установлено, что конструктивные особенности ортодонтического аппарата могут влиять на характер перемещения зубов, в связи с чем актуально проведение эксперимента с применением конечно-элементных программных комплексов, которые позволяют определить напряженно-деформированное состояние элементов и узлов механических систем, используемых в ортодонтических аппаратах для быстрого расширения верхней челюсти с учетом их реальных геометрических размеров и форм, условий нагружения и закрепления, физико-механических свойств применяемых материалов.

Цель исследования — создание параметризованной компьютерной модели ортодонтического аппарата для быстрого расширения верхней челюсти и оценка его напряженно-деформированного состояния при помощи компьютерной программы ANSYS.

Для исследования мы выбрали ортодонтический аппарат для быстрого расширения верхней челюсти с винтом HYRAX и ортодонтическими коронками на зубы 14,16,24 и 26 с обозначением характерных точек. На основе этого аппарата была построена параметризованная модель, которую ввели в программу ANSYS.

ANSYS — компьютерная программа, в основу которой положен метод конечных элементов. Программа позволяет виртуально выявлять напряжения и деформации в объекте любой формы и геометрии, при заданных нагрузках и физических характеристиках исследуемого объекта.

На конечно-элементную модель аппарата накладывались граничные условия в виде наложения упругих связей на корни зубов. Учитывая малую податливость зубов, коэффициент жесткости принимался, равным 10 ГПа. Свойства материала (нержавеющая сталь), из которого изготовлен аппарат, описываются следующими материальными константами: модуль упругости Е=200 ГПа, коэффициент Пуассона д = 0,3, плотность р = 7850 кг/м³. В качестве материала для зубов использовался дентин с модулем упругости Е = 14,7 ГПа и коэффициентом Пуассона р=0.31. Для различных конструкций ортодонтических аппаратов и различных свойств материала была проведена серия расчетов при условии упругого закрепления корней зубов и активации винта на 0,5 мм. Для ортодонтических аппаратов, которые отличаются друг от друга длиной стержней и углом наклона стержней относительно плоскости винтового механизма HYRAX, проведен расчет напряжений, возникающих в стержнях. В настоящее время установлено, что чем больше напряжение в стержне винта, тем значительное влияние он оказывает на перемещаемый зуб.

Результаты серии расчетов показали, что конструктивные особенности расширяющего ортодонтического аппарата (углы изгибов стержней, длина стержней винта HYRAX) могут оказывать влияние на деформированное состояние передаточного стержня винта и соответственно на характер деформаций в костях черепа, а в полости рта — на характер перемещения зубов.


С.А. Наумович, А.Н. Доста, С.М. Босяков
Белорусский государственный медицинский университет