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        基于FA/TRIZ的錯頜畸形前方牽引矯治器設(shè)計方法研究

        2020-08-27 06:13:38張芳蘭姚宛彤劉龍吉
        圖學學報 2020年3期
        關(guān)鍵詞:矯治器上頜部件

        張芳蘭,姚宛彤,劉龍吉

        基于FA/TRIZ的錯頜畸形前方牽引矯治器設(shè)計方法研究

        張芳蘭,姚宛彤,劉龍吉

        (燕山大學藝術(shù)與設(shè)計學院,河北 秦皇島 065000)

        針對上頜前方牽引矯治器在使用過程中出現(xiàn)的舒適度低、佩戴不便等問題,提出基于功能分析(FA)和發(fā)明問題解決理論(TRIZ)相結(jié)合的集成設(shè)計方法。通過對上頜前方牽引矯治器的功能分析,建立功能、結(jié)構(gòu)部件之間的關(guān)系,形成部件交互矩陣。應用TRIZ理論分析產(chǎn)生交互作用的部件與子功能之間的關(guān)系,形成功能-物場模型,并根據(jù)模型實際效用劃分其所屬類別,利用76個標準解尋找對應解決方法,獲得上頜前方牽引矯治器改良設(shè)計方案。利用有限元分析法(FEA)賦予相應的材質(zhì)和作用力,建立對比實驗對方案進行評價分析。最終,以上頜前方牽引矯治器的創(chuàng)新設(shè)計方案實施為例,驗證了該集成方法以及評價方法的可行性。

        錯頜畸形;前方牽引;功能分析;發(fā)明問題解決理論;有限元分析

        安氏Ⅲ類錯頜畸形是一種常見的未成年人口腔疾病。隨著患者年齡增長,會造成面中部凹陷、上頜短縮和下頜前突,嚴重影響面容美觀[1](圖1)。

        圖1 安氏Ⅲ類錯頜畸形

        目前,上頜前牽引矯治方法是治療此類錯頜畸形的有效手段[2-3]。生長發(fā)育高峰前期進行上頜前牽引矯治可以較好地改善Ⅲ類凹面型。若不予及時矯治,待發(fā)展成嚴重的骨性畸形,則需要通過正頜手術(shù)聯(lián)合矯治解除畸形,增加了治療的難度與成本。因此,對安氏Ⅲ類錯頜畸形的早期干預矯治十分必要[4]。國內(nèi)外學者一直致力于提高前方牽引的矯治效果,探討上頜前牽引的影響因素,改善上頜前牽引矯治器裝置,以期獲得較好的骨骼變化,達到改善凹面型目的。

        常見的矯治器主要分為復合式面弓(圖2(a))和簡單式面弓(圖2(b))。2種矯治器在一定程度上均可以滿足矯正力學需求,但未考慮患者面部形態(tài)的差異性、佩戴舒適性、面部貼合度及使用心理等問題。

        發(fā)明問題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch,TRIZ)常與其他創(chuàng)新設(shè)計方法集成應用,有效解決產(chǎn)品設(shè)計中矛盾問題,構(gòu)建系統(tǒng)性的創(chuàng)新設(shè)計方法。例如,夏文涵等[5]將TRIZ理論與數(shù)學模型進行綜合研究設(shè)計,有效地解決產(chǎn)品設(shè)計過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題,實現(xiàn)預期目標需求;朱秀娟和李克天[6]將TRIZ理論與功能分析集成,建立簡略矛盾矩陣,為家電類產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供流程思路;周升銘[7]將可供性理論與TRIZ相結(jié)合,構(gòu)建物場可供性模型,再綜合其他研究方法和工具,最終形成產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計模型;文獻[8-9]均選用質(zhì)量功能展開(quality function deployment,QFD)與TRIZ結(jié)合,將需求轉(zhuǎn)化為具體性能,減少人為因素的干擾等;錢煒苗[10]提出了一種FA/TOC/TRIZ集成方法,形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,為產(chǎn)品設(shè)計前期問題研究、方案決策研究提供了思路和支撐。

        圖2 常見矯治器

        功能分析(function analysis,F(xiàn)A)是系統(tǒng)設(shè)計中確定產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)的主要方法,有利于認識和理解產(chǎn)品工作原理及功能結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過對產(chǎn)品進行FA和結(jié)構(gòu)分解,建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)-功能聯(lián)系。顧文斌等[11]利用FA法對自動封裝機進行解構(gòu)分析,根據(jù)分功能最優(yōu)解,進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,得到可以對多種尺寸的紙箱進行自動封裝的產(chǎn)品設(shè)計方案;王峰等[12]將功能分析法應用于PVC扣板自動包裝機的設(shè)計中,最終提高設(shè)備生產(chǎn)效率,為同類設(shè)備設(shè)計提供了參考。

        有限元分析(finite element analysis,F(xiàn)EA)主要利用數(shù)學近似的方法對真實的物體量進行模擬,將復雜的問題看成多個單元,并對每一單元進行求解推導,從而得到問題的解。其主要應用于機械、工程、流體、巖土、土木、橋梁、醫(yī)療等領(lǐng)域的模擬仿真研究,利于及時發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計問題,降低實驗成本。沈仙法和崔小龍[13]對機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝箱進行Ansys有限元模擬,在相同載荷條件下,分析2種不同包裝材質(zhì)的強度和剛性,選擇最合適的包裝材料。胡驍穎[14]將有限元分析引入正畸領(lǐng)域,探究不同力對骨骼牙齒的影響,獲得最有效的矯正力大小。在設(shè)計領(lǐng)域,較多學者從人機工程學、產(chǎn)品舒適度等角度對產(chǎn)品進行有限元分析研究。張磊等[15]從人體生理結(jié)構(gòu)、體壓分布、材料等方面對自行車座的受力情況進行仿真評價,為自行車座設(shè)計提供規(guī)范和依據(jù);冉令朋等[16]分析耳機-耳廓之間的接觸壓強,以壓強分布情況對耳機舒適性進行客觀評價。

        本研究將TRIZ理論與FA相結(jié)合,降低感性判斷對產(chǎn)品設(shè)計的影響。再利用FEA工具對產(chǎn)品方案進行評價分析,最終獲得基于FA/TRIZ集成方法的設(shè)計方案,完善上頜前方牽引矯治器的功能,提高佩戴舒適度。

        1 FA/TRIZ集成方法

        為提高產(chǎn)品用戶的滿意度、改良現(xiàn)存產(chǎn)品缺陷,將直接獲取到的用戶需求(潛在需求)描述進行關(guān)聯(lián)分析,梳理得出與設(shè)計直接相關(guān)的需求問題。通過FA確定概念設(shè)計階段的產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)的對應關(guān)系,利用TRIZ尋找解決問題的標準解法,輸出產(chǎn)品設(shè)計方案,進行有限元分析評價,得到系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法。在TRIZ理論中,對于物場模型的構(gòu)建,一般采用直接分析法,以主觀判斷為主,缺乏系統(tǒng)的定性研究。

        如圖3所示,利用FA/TRIZ集成方法,可有效降低人為主觀因素在產(chǎn)品設(shè)計過程中的干擾。再通過有限元分析,對產(chǎn)品方案進行客觀的評價分析研究。具體步驟如下:

        步驟1.建立部件交互矩陣。通過產(chǎn)品FA,將產(chǎn)品按照使用功能和部件結(jié)構(gòu)進行分解,確定部件之間的聯(lián)系。結(jié)合產(chǎn)品的使用對象和使用環(huán)境,確定產(chǎn)品與患者、環(huán)境三者之間的交互關(guān)系,形成產(chǎn)品系統(tǒng)交互矩陣。

        步驟2.構(gòu)造功能-物場模型。將各子功能與發(fā)生交互關(guān)系的部件進行關(guān)聯(lián)分析,確定部件之間發(fā)生交互關(guān)系所產(chǎn)生的作用場,形成功能-物場模型。根據(jù)交互作用產(chǎn)生的實際功能效應和產(chǎn)品需求問題,確定功能-物場模型的類型。

        步驟3. 利用TRIZ工具求解。尋找符合用戶需求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的標準解法。根據(jù)標準解法確定方案設(shè)計方向和產(chǎn)品設(shè)計的具體方案。

        步驟4. 進行產(chǎn)品方案評價。將求解得到的產(chǎn)品創(chuàng)新方案與現(xiàn)存產(chǎn)品進行FEA分析,從產(chǎn)品的舒適度、結(jié)構(gòu)等方面進行分析研究。最終輸出基于FA/TRIZ集成方法的產(chǎn)品設(shè)計方案。

        圖3 FA/TRIZ集成模型

        2 上頜前方牽引矯治器設(shè)計研究

        2.1 上頜前方牽引矯治器交互矩陣

        功能是對某產(chǎn)品工作能力的形象化描述,可視為系統(tǒng)的輸入、輸出之間的關(guān)系。上頜前方牽引矯治器的黑箱模型如圖4所示,其輸入量為待矯正的牙齒、前方牽引、佩戴舒適等。輸出量為矯正的牙齒、信息反饋等。因此,可確定上頜前方牽引矯治器的總功能是改變牙齒的狀態(tài)。

        圖4 上頜前方牽引矯治器黑箱模型

        由于總功能在描述時具有抽象性和不準確性,因此對產(chǎn)品總功能進行分解。根據(jù)現(xiàn)存矯治器的功能特點以及產(chǎn)品總功能要求,采用由上至下的FA方法,用A(=1,2,3,···,10)表示各功能。上頜前方牽引矯治器功能分解過程如圖5所示。

        根據(jù)矯治器的部件關(guān)系,可將其分解為口外部件(支抗部件)、口內(nèi)部件、連接部件、施力部件??谕獠考?支抗部件)用于抵消牽引所產(chǎn)生的反作用力,主要抗基部位是額部和下頜部。因此,口外部件由額墊、頦墊、連接面弓(簡單式和復雜式)組成。施力部件指用彈性橡膠圈連接口外支抗部件和連接部件。連接部件分為口外和口內(nèi)部分:口內(nèi)部件主要指通過外力作用使牙齒趨于整齊的各類牙列矯治裝置。圖6為構(gòu)建上頜前方牽引矯治器的結(jié)構(gòu)分解圖,用P(=1,2,3,···,8)表示各部件。

        圖5 上頜前方牽引矯治器功能分解

        圖6 上頜前方牽引矯治器結(jié)構(gòu)分解

        對矯治器、作用對象及環(huán)境三者共同構(gòu)成的上頜前方牽引矯治系統(tǒng)進行分析。根據(jù)矯治器佩戴要求,將作用部位細分為:頭部、額部、下頜、口內(nèi)矯治器;根據(jù)調(diào)研分析可知,作用環(huán)境主要為家庭。通過對矯治器的結(jié)構(gòu)分解以及作用特點分析,構(gòu)建交互關(guān)系矩陣。如圖7所示,其中“○”為存在交互關(guān)系;“-”為忽略交互關(guān)系;“×”為無直接交互關(guān)系。

        圖7 上頜前方牽引矯系統(tǒng)交互矩陣

        2.2 上頜前方牽引矯治器功能-物場模型

        物場模型是TRIZ理論中問題分析工具之一,其將所有功能分解為2種物質(zhì)和一種場。其中,物質(zhì)可指任意實體,如:產(chǎn)品零部件、系統(tǒng)等,用“”表示;場可以是一種資源或能量,如:機械場、電場、化學場等,用“”表示。

        根據(jù)物與場的交互作用,可將物場模型分為4類:有效完整的系統(tǒng)(A):系統(tǒng)功能元素完整有效。不完整系統(tǒng)(B):系統(tǒng)功能元素缺失。不足的完整系統(tǒng)(C):效應未能有效實現(xiàn),或效應不足。有害的完整系統(tǒng)(D):產(chǎn)生與預期效應相反的、有害的效應。

        將交互作用產(chǎn)生的效應與功能元進行匹配,構(gòu)建功能交互模型,分析部件交互方式,確定交互作用的場,形成完整的功能-物場模型。根據(jù)前期的產(chǎn)品調(diào)研和用戶研究,探究表中功能-物場模型在實現(xiàn)功能過程中出現(xiàn)的效應,確定模型所屬類型。用M(=1,2,3,···,9)表示模型編號,1表示物質(zhì)1,2表示物質(zhì)2,表示作用場(表1)。

        表1 上頜前方牽引矯治器功能-物場模型

        2.3 上頜前方牽引矯治器方案求解

        為準確提取到上頜前方牽引矯治器的使用需求和使用過程產(chǎn)生的潛在需求問題。本研究采用用戶訪談、文獻檢索、資料查找、專家訪問等綜合方法進行前期調(diào)研,并對獲取的問題描述進行分類研究,確定7個上頜前方牽引矯治器中存在的待解決問題需求,分別用1~7表示需求編號:1=佩戴舒適度、2=簡單面弓影響視線、3=復雜面弓影響睡眠、4=頦兜壓迫、5=監(jiān)測矯正狀況、6=控制作用力、7=佩戴不便。

        TRIZ通過對大量專利等分析研究,將發(fā)明問題分為標準問題和非標準問題2類。其中標準問題主要指基于技術(shù)系統(tǒng)進化可以改良和解決問題的方法。針對標準問題的解決辦法稱為發(fā)明問題標準解法。標準解法共分為5級,18個子級,共計76個[17]。根據(jù)表2可知模型1~9所屬類型,其中:模型1屬于C類物場模型,用1表示模型,如圖8所示。

        圖8 M1功能-物場模型

        結(jié)合前期調(diào)研分析,在使用上頜前方牽引矯治器時,會出現(xiàn)綁帶不牢固、佩戴不合適等問題。因此,對照發(fā)明問題標準解法,尋找最合適的解決方案。

        在實現(xiàn)功能4和7時,出現(xiàn)效應不足的問題,參考發(fā)明問題標準解法(76個標準解),找到解決問題的方法。最終選擇第2級中加強物場模型“使用毛細管和多孔物質(zhì)(2.2.3)”、“動態(tài)性(2.2.4)”和“構(gòu)造物質(zhì)(2.2.6)”解決問題。因此,各功能-物場模型解決方案見表2。

        表2 功能-物場模型標準解方案

        研究分析可知模型1在產(chǎn)生效應時存在1~7的需求問題,且模型1關(guān)聯(lián)的部件為固定綁帶和頭部(忽略),因此依據(jù)存在的需求問題對固定綁帶進行方案求解分析。對其他模型進行分析,確定部件與待解決需求問題的直接聯(lián)系,結(jié)合部件所屬模型及類別,進行方案設(shè)計研究,最終獲得產(chǎn)品設(shè)計方向。如圖9所示,其中“+”為增加結(jié)構(gòu),“-”為替代結(jié)構(gòu)。

        根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計方向進行研究,最終得到產(chǎn)品改良設(shè)計方案,如圖10所示。

        改良后的上頜前方牽引矯治器具有動態(tài)調(diào)節(jié)和實時監(jiān)測功能。矯治器頭圈可根據(jù)不同患者頭部大小進行彈性變化,面弓部分可進行橫向滑動,患者可根據(jù)使用需求進行面弓調(diào)節(jié)。如圖11(a)所示,在夜間使用時可將面弓移到中間位置,降低夜間佩戴對睡眠的影響。如圖11(b)所示,在白天使用時,可將面弓移到兩側(cè)位置,降低面弓對視線的影響。

        在矯治器頦兜部分增加了距離傳感器和紅外傳感器,可實時監(jiān)控牙齒的位移變化和佩戴矯治的時長,同時在口外固定鉤上增加壓力傳感器,可以監(jiān)測對牙齒施加拉力的情況,為遠程醫(yī)療提供數(shù)據(jù)支持。

        圖9 產(chǎn)品設(shè)計方向

        圖10 上頜前方牽引矯治器改良方案

        圖11 矯形器兩種佩戴狀態(tài)

        3 方案評價

        3.1 有限元分析評價

        采用Abaqus有限元仿真分析方法,需要對模型進行材料的定義、仿真模型的前處理、邊界條件的設(shè)定、舒適性評價等操作。

        根據(jù)研究對象的特性賦予模型相應的材質(zhì),以模擬材料真實的物理屬性,為仿真分析做前期的準備。本研究將矯正器簡化為包含3種材料屬性的部件,分別為ABS部件、金屬材質(zhì)連接桿部件,以及海綿材質(zhì)頭帶軟墊,上述材料具體參數(shù)見表3。

        為了更好地模擬矯正器的受力情況,將矯形器各部件進行規(guī)范處理,減少面的數(shù)量和曲線的數(shù)量,保障網(wǎng)格劃分的精確和標準。為保障網(wǎng)格劃分的精度,獲得模型的精確解,本研究采取全局細化網(wǎng)格處理方法。同時,將頦兜部分設(shè)定為方向約束,頭圈部分設(shè)定方向約束,對口外固定鉤施加8 Pa大小的壓強。

        表3 材料屬性

        3.2 結(jié)果對比

        為了便于結(jié)果分析,計算過程沿頭圈環(huán)向設(shè)置監(jiān)測路徑,獲得頭圈的等效位移和應力曲線,如圖12所示。

        圖12 應力和等效位移曲線對比圖

        根據(jù)圖12(a)所示,改良前后矯形器應力變化趨勢相同,根據(jù)對應力大小分析發(fā)現(xiàn):原矯形器的應力最大值為1.48 Pa,改良后矯形器應力最大值為0.62 Pa。通過對矯形器的改良,將應力減少58.1%。對頭部的壓迫力減少,提高佩戴的舒適度;通過對等效位移曲線分析,發(fā)現(xiàn)改良后的位移值大于原矯形器位移,分析可知:改良后矯形器頭圈圍長要大于原矯形器。因此,改良后矯形器頭圈兩端的等效位移變化較大。

        4 結(jié)束語

        (1) 本研究構(gòu)建了基于FA/TRIZ集成創(chuàng)新方法模型,并將其應用于上頜前方牽引矯治器改良設(shè)計中。通過有限元分析評價,驗證了該集成方法的可行性。

        (2) 通過構(gòu)建部件交互矩陣原型,形成了產(chǎn)品功能-物場模型,為產(chǎn)品方案設(shè)計確定方向。

        (3) 以患者為中心,對錯頜畸形前方牽引矯形器進行改良設(shè)計,最終提高了產(chǎn)品的矯治效果和佩戴舒適度。

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        Application research on the KJ/FA/TRIZ integration method in anterior maxillary traction appliance design

        ZHANG Fang-lan, YAO Wan-tong, LIU Long-ji

        (School of Art and Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 065000, China)

        Aimed at solving such problems as discomfort and inconvenience of the maxillary anterior traction appliance, an innovative design method based on FA and TRIZ was proposed. The relationship and the component interaction matrix between the functions and structures were established based on the FA. The TRIZ was adopted to analyze the connections between the interacted components and sub-functions, thus forming the function-field model. Its categories were divided based on the actual utility. Then 76 standard solutions were employed to address problems, thereby obtaining an improved design of appliance. Finite element analysis was made to evaluate the redesign scheme by giving the materials and forces. A comparative experiment was undertaken to evaluate the redesign scheme. Finally, the feasibility of the FA/TRIZ integration method andevaluation method was verified through the implementation of the innovative design of the maxillary anterior traction appliance.

        malocclusion; anterior traction; function analysis; theory of inventive problem solving; finite element analysis

        TP 391

        10.11996/JG.j.2095-302X.2020030438

        A

        2095-302X(2020)03-0438-08

        2019-12-02;

        2020-03-29

        2020年度河北省教育廳普通高等學校青年拔尖人才計劃項目(BJ2020088);河北省社科基金項目(HB19YS004);2018年河北省專業(yè)學位教學案例(庫)立項建設(shè)項目(KCJSZ2018021)

        張芳蘭(1980-),女,陜西寶雞人,副教授,博士,碩士生導師。主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論與方法、人因工程。E-mail:fanglanzhang@163.com

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