1.一种开大垂直曲正畸力预测模型建立方法,其特征在于:所述方法的具体实现过程包括以下步骤:
1)提取开大垂直曲的结构特征和加载特征,归纳开大垂直曲正畸力影响参数;
2)建立垂直臂挠曲线微分方程;
3)建立顶端圆弧挠曲线微分方程,确定边界条件;
4)引入残余应力修正系数,建立开大垂直曲正畸力预测模型。
2.根据权利要求1中所述的一种开大垂直曲正畸力预测模型建立方法,其特征在于:所述的步骤1)中,通过分析开大垂直曲的特点,提取开大垂直曲的结构特征和加载特征分别为:开大垂直曲由顶端圆弧、垂直臂和水平臂组成,整体沿圆弧对称轴呈轴对称结构,开大垂直曲的水平臂与垂直臂的夹角为90°;通过预先施加压力压缩两水平臂的间隙距离,获得沿水平臂向外张开的正畸力;
归纳影响开大垂直曲正畸力F大小的主要参数包括弓丝材料特性M,弓丝截面特性S和开大垂直曲的特征参数Q,其中常用的弓丝材料包括不锈钢丝、澳丝和镍钛合金丝,参数为弹性模量E,弓丝的截面特性包括截面积和截面形状,参数为对弯曲轴的惯性距I,开大垂直曲的特征参数为开大垂直曲的高度h和开大垂直曲的间隙距离w,因此得到开大垂直曲正畸力预测模型的基本形式,如式1所示。
F=F(M,S,Q) (1) 。
3.根据权利要求1中所述的一种开大垂直曲正畸力预测模型建立方法,其特征在于:所述的步骤2)中,由开大垂直曲结构特征可知,只需对一侧对称部分进行分析,开大垂直曲顶端圆弧的弯曲半径为R,在无预先作用力情况下w=2R,可得到挠曲线近似微分方程方程如下:式中,v为垂直臂的弯曲挠度,即水平臂的移动距离,M(y)是竖直臂上y距离处所受弯矩,Iz为弓丝截面对z轴的惯性矩,y轴为垂直臂轴线,z轴为垂直臂上与y轴垂直且受弯矩作用的轴,对于圆丝Iz=πDY4/64,DY为圆丝直径,对于方丝Iz=c1c23/12,c2为矩形丝截面上与z轴平行边的长度,c1为矩形丝截面上与z轴垂直边的长度;
对式(2)进行积分,得到开大垂直曲的转角方程θ(y)和挠度方程v(y)为:式中,C和D是积分常数,由边界条件确定,而开大垂直曲垂直臂的弯矩方程为:M(y)=-P(h-R-y) (5)
式中,P为垂直臂产生挠度为v的变形所需压力,将式(2)和(5)带入到式(3)和(4)中进行积分,可得:。
4.根据权利要求1中所述的一种开大垂直曲正畸力预测模型建立方法,其特征在于:所述的步骤3)中,为确定开大垂直曲垂直臂的边界条件,需对垂直臂和顶端圆弧的交接处,即y=0处的变形量进行求解,将一侧的顶端圆弧等效为弧度为π/4,曲率半径为R的弯曲梁,对其取一段弧度为dα微元,则顶端圆弧的挠曲线微分方程为:式中,u为顶端圆弧横截面在x方向上的位移,即为顶端圆弧与垂直臂交接处,x方向为顶端圆弧弯曲半径方向,垂直臂在y=0处的初始挠度,圆弧段所受转矩M0=M|y=0=-P(h-R),Iω为截面对ω轴的惯性矩,ω轴为顶端圆弧轴线,由于垂直臂与顶端圆弧处的弯曲类型一致,有Iω=Iz。
由弧长公式可知ds=Rdα,因此顶端圆弧的挠曲线微分方程可变为:解常系数非齐次微分方程求得:
由于顶端圆弧的对称性,顶端圆弧的边界条件为 解得:
则顶端圆弧的挠曲线微分方程为:
顶端圆弧的转角方程为:
因此,由边界条件 解得:
将C,D带入式(6)、(7)中可得:
因为最大转角及最大挠度均产生在垂直臂与水平臂交接处,即y=h-R处,最大挠度即为水平臂移动距离d,可知垂直臂产生挠度为v的变形所需压力P为:由作用力反作用力原则,正畸力FO即为产生该变形量所需压力的反力:。
5.根据权利要求1中所述的一种开大垂直曲正畸力预测模型建立方法,其特征在于:所述的步骤4)中,在弯制开大垂直曲顶端圆弧段及垂直臂和水平臂交接处的过程中,由于弯曲变形会产生残余应力,会对上述分析过程产生一定的影响,因此引入修正系数KO以构建最终的开大垂直曲正畸力预测模型,其中KO可通过实验结果与未考虑修正作用的理论计算结果的对比分析得到,且R=w/2,则有:定义实验数据与未考虑修正系数KO的理论数据差值相对于理论数据的比例为理论修正率,通过对各参数下的平均理论修正率进行拟合,从而得到开大垂直曲受高度影响的修正系数Kh,受间隙宽度影响的修正系数Kw,受截面特性影响的修正系数Ks,以及受材料特性影响的修正系数KM,由于影响参数的修正效果各不相同,将各条件下修正系数直接相乘会造成修正效果的重叠,因此以最为常见的0.016英寸不锈钢圆丝弯制的高度为7mm,宽度为2mm的开大垂直曲的修正系数为基数进行折算,计算其在不同间隙宽度、不同截面和不同材料下的正畸力修正率分别为Kw0、KS0和KM0,则修正系数KO为:则开大垂直曲正畸力预测模型的最终表达式为:
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