牙齒正畸過程中，矯牙托槽的介入和滑動容易導致唇頰軟組織出現較大反應，矯治初期常見軟組織損傷和潰瘍。口腔正畸醫療領域采用臨床案例統計方法進行定性分析，缺乏生物力學機制的定量解釋。為此，開展唇頰—托槽—牙齒的三維模型有限元分析，計算托槽引起的唇頰軟組織的力學反應，其中涉及復雜耦合的接觸非線性、材料非線性和幾何非線性。首先，根據唇頰生物組成特點，優化選取二階奧格登（Ogden）超彈性本構模型，對類脂肪材料的唇頰軟組織進行表征。其次，根據口腔活動特點，建立托槽介入和正交滑動的兩階段仿真模型，并對關鍵接觸參數進行優化設置。最終，采用整體模型—子模型的兩層次分析方法，基于整體模型計算得到的位移邊界，實現子模型高精度應變的高效求解。針對正畸過程中四種典型牙齒形態的計算結果表明：① 軟組織最大應變沿托槽尖銳邊緣分布，與臨床觀測的軟組織變形輪廓一致；② 隨著牙齒排齊，軟組織的最大應變也隨之減小，與矯治初期常見損傷和潰瘍以及矯治后期患者不適感減輕的臨床表現相符。本文的方法可為國內外口腔正畸醫療領域的相關量化分析研究提供參考，進一步有益于新型矯治裝置的產品研發分析。
目前研發的新型國產正畸裝置中，托槽與形狀記憶合金（SMA）弓絲之間的止鎖機制是控制牙體精準矯正的關鍵。為滿足臨床治療中的止鎖力需求，止鎖螺栓的緊固扭角及所需要的扭矩大小需要精準設計。為此，本文開展止鎖機制的設計研究，分析緊固扭角與止鎖力的對應關系，確定有效的扭矩值，其中涉及復雜耦合的接觸、材料和幾何非線性特征。首先，針對SMA弓絲的三點彎曲實驗數據，開展基于參數正交實驗設計的仿真分析，確定SMA超彈性材料參數。其次，建立螺栓旋緊和弓絲拉拔的兩階段精細有限元仿真模型，通過關鍵接觸參數的優化設置，實現非線性分析收斂。最后，開展三種緊固扭角情況下的多組標定實驗。本研究通過設計分析與標定實驗的對比結果表明，各情況下止鎖力的設計分析值與標定均值的偏差在10%以內，設計分析方法有效可靠。本研究最終確定臨床應用的緊固扭角為10°，額定扭矩為2.8 N·mm。綜上，本文所得關鍵數據可用于新型正畸裝置的臨床方案設計和后續機械優化，研究方法可為包含SMA材料的醫療器械受力分析提供有益參考。