3DSS结合逆向工程技术建立非线性三维有限元模型思维导图

将扫描得到的6部分点云数据输入GeomagicStudio8逆向工程软件中，去除多余的杂点与坏点，运用Merge命令进行拼接，得到完整的上颌第一磨牙点云模型。利用点云通过逆向工程的方式重构模型，并对模型进行适当的修补及曲面优化，得到NURBS曲面，进而获得上颌第一磨牙CAD三维实体模型。运用scale命令将模型缩小15倍并进行正交化，得到位于坐标系中心、正常大小的上颌第一磨牙三维实体模型，将此模型转变为片面模型，利用offset命令沿片面的法线方向向外均匀扩展0.25mm得到牙周膜片面模型，通过形成NURBS曲面最终得到牙周膜CAD三维实体模型。按上述方法将牙周膜模型向外均匀扩展0.25mm得到硬骨板CAD三维实体模型。将上颌第一磨牙、牙周膜及硬骨板的三维实体模型输出为。iges格式文件分别进行保存。

1.2.4材料参数及牙周膜的非线性设定 模型各部分设定的单元类型、尺寸及材料参数如表1.牙周膜设定为非线性的超弹性模型。Vollmer等［2］研究得到牙周膜双线性应力应变曲线：牙周膜在应变量达到ε=7.5%之前，其应力应变关系体现在第一个应力应变区，此时弹性模量E1=0.05MPa；当应变量达到ε=7.5%之后，应力应变关系体现为第二个应力应变区，其弹性模量变为E2=0.22MPa.即牙周膜的应力应变不成线性关系，当应变量达到一定限度时（ε=7.5%），其力学性质发生变化，弹性模量增加，较小的应变量即会产生较大的应力。模型柏松比μ=0.30.按照Mooney?Rivlin形式本构模型［3］进行拟合，得到牙周膜的双参数超弹性模型：

C01/C10=E1

K=d/2

d=（1?2μ）/（C10+C01）

建立的上颌第一磨牙及其支持组织的非线性三维有限元模型具有很高的几何相似性，结构完整，网格质量较好。建立的三维有限元模型共96875个10节点四面体单元，132838个节点：上颌第一磨牙40415个单元，58605个节点；牙周膜10258个单元，20602个节点；硬骨板12202个单元，24413个节点；密质骨4132个单元，8053个节点；松质骨29868个单元，44977个节点。牙齿全长20.1mm，腭根长12.0mm，近中根11.6mm，远中根10.9mm，近远中宽9.2mm，颊舌向宽8.4mm。

上颌第一磨牙结构复杂，形态不规则，建立完整、精确、相似性高的三维有限元模型对计算结果的准确性至关重要。3DSS是高速高精度的工业级三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，可以达到0.01mm的扫描精度，在数秒内即可完成对模型的高速高密度测量，输出三维点云供进一步后期处理。逆向工程是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。GeomagicStudio8是四大逆向工程专业软件之一，利用它可以在可视化的界面下对模型进行修改，大大缩短了建模时间，提高了建模的效率和可操作性。将3DSS与先进的逆向工程技术相结合，可以避免人为干扰，将扫描的点云数据直接重建为三维实体模型，并且精确度极高，细节表达完整，相似性好，为计算结果的准确性提供了保证。但是由于其仅能得到模型的表面数据，应用范围受到了一定程度的限制。 实验中我们得到了以下经验：①运用Geomagic的offset命令与ANSYS的overlap命令，找到了一条建立复杂牙齿牙周膜及硬骨板的有效便捷之路；②在GeomagicStudio8中生成三维实体模型时，避免产生一些相交成锐角的线，以提高后期的网格划分质量；③对模型不同的部分采用不同的网格尺寸进行网格划分，在确保计算精度的前提下可以提高运算效率；④虽然。iges格式文件具有良好的软件接口兼容性，但在导入导出过程中仍会造成数据的丢失，所以要尽量避免模型以。iges格式反复的导入与导出。

我们在前人研究的基础上尝试运用3DSS进行扫描获得建模原始数据，并对模型进行细化，建立了包括牙齿、牙周膜、硬骨板、松质骨及密质骨的三维有限元模型；同时，在一定研究假设的情况下对牙周膜进行了非线性参数设定，在一定程度上提高了模型的仿生性，为进一步的生物力学研究奠定了良好的基础。

参考文献：

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