Modellbildung und Simulation der großen Deformationen menschlicher Weichteile beim Sitzen

Jödicke, Ralph GND

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Modell des menschlichen Weichteilgewebes entworfen, das den Anforderungen entspricht, die sich aus dem Entwurf ergonomischer Sitzsysteme ergeben. Das Modell des Weichteilgewebes wurde in das Menschmodell DYNAMICUS integriert und mit RAMSIS-Daten anthropometrisch parametrisiert. Dazu wurde das Mehrkörpersimulationswerkzeug alaska um eine nichtlineare FE-Schnittstelle erweitert. Auf der Grundlage von Messungen der Druckverteilungen und der Schwingungsübertragungen wurde ein transparentes Verfahren entworfen, um viskoelastische Materialparameter des menschlichen Körpers bei vernachlässigbarer gesundheitlicher Belastung durch Parameteroptimierung zu ermitteln. Das dazu verwendete Verfahren ist schlank und gut dokumentiert. Damit kann es auch für beliebige Haltungen und Probanden angewendet werden. Da bei diesem Verfahren statistische Parameter eine zentrale Rolle spielen, ist es roboust gegenüber Änderungen der Modellaufl ösung, der Modellierungstiefe und quantitativer Versuchsbedingungen. Zu diesen quantitativen Versuchsbedingungen gehören die Aufl ösung der Druckmessmatten, die Messzeit, die Amplitude der Anregung und die Abtastrate der Beschleunigungsmessungen. Für statische und dynamische Untersuchungen wurde in dieser Arbeit dasselbe Modell verwendet, das mit vertretbarem Aufwand anthropometrisch skalierbar ist. Dieses Modell ist damit einfacher und schneller anzuwenden als für ähnliche Anwendungen bereits vorliegende Lösungen.

In line with this thesis it was drafted a finite element model of human soft tissue. This model fits the requierements of the design of human-engineered seating systems. The soft tissue model has been integrated into the human model DYNAMICUS und parametrized using RAMSIS-data. For that purpose the multi-body-dynamics simulation tool alaska have got an interface for the integration of nonlinear finite-element-models. Based on measuremenets of pressure distribution a comprehensive process for the determination of viscoelastic material parameters of human soft tissue has been developed. The parameter-optimisation process makes the exposure of the test persons negligible. The process is slim and documented. Therefore this process is applicable for arbitrary test persons and postures. Because statistical parameters are the keys of this process, it is rugged against al lot of modifications. These modifications are the degree of freedom of the model, the resolution of the pressure-measuring pad, the intensity of the vibrational stimulation, the sampling frequency and measuring time of the acceleration measurements. This paper used for static and dynamic simulations the same model. The effort for anthropometric and postural scaling is straightforward. Therefore this model is more simple and easier to handle then available solutions for similar problems. The values of viscoelastic material parametes assume a linear material model connected with a nonlinear model of geometry. A significant dependency of the elastic properties of the human soft-tissue on the physical constitution and the posture of the test person is not proven. But the elasticity-modulus achieved by the optimization is resonable. The analysis of the vibration shows that there is a considerable dependency of human body's damping on the posture and a veritable dependency on the test person. For the simulation a pure damping model without dynamic (serial) stiffness has been used. A simultaneous optimisation of static and dynamic measurements show, that there is a considerable dynamic stiffening. A realistic representation of the dynamic behaviour is possible using a rheological material model with a dynamic (serial) stiffness. But in connection with a hybrid model this is not essential. It is possible to represent the dynamic stiffening with multi-body elements.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Modell des menschlichen Weichteilgewebes entworfen, das den Anforderungen entspricht, die sich aus dem Entwurf ergonomischer Sitzsysteme ergeben. Das Modell des Weichteilgewebes wurde in das Menschmodell DYNAMICUS integriert und mit RAMSIS-Daten anthropometrisch parametrisiert. Dazu wurde das Mehrkörpersimulationswerkzeug alaska um eine nichtlineare FE-Schnittstelle erweitert. Auf der Grundlage von Messungen der Druckverteilungen und der Schwingungsübertragungen wurde ein transparentes Verfahren entworfen, um viskoelastische Materialparameter des menschlichen Körpers bei vernachlässigbarer gesundheitlicher Belastung durch Parameteroptimierung zu ermitteln. Das dazu verwendete verwendete Verfahren ist schlank und gut dokumentiert. Damit kann es auch für beliebige Haltungen und Probanden angewendet werden. Da bei diesem Verfahren statistische Parameter eine zentrale Rolle spielen, ist es roboust gegenüber Änderungen der Modellauflösung, der Modellierungstiefe und quantitativer Versuchsbedingungen. Zu diesen quantitativen Versuchsbedingungen gehören die Auflösung der Druckmessmatten, die Messzeit, die Amplitude der Anregung und die Abtastrate der Beschleunigungsmessungen. Für statische und dynamische Untersuchungen wurde in dieser Arbeit dasselbe Modell verwendet, das mit vertretbarem Aufwand anthropometrisch skalierbar ist. Dieses Modell ist damit einfacher und schneller anzuwenden als für ähnliche Anwendungen bereits vorliegende Lösungen. Es wurden Werte viskoelastischer Materialparameter menschlicher Weichteile auf der Grundlage eines linearen Materialmodells in Verbindung mit einem nichtlinearen Geometriemodell ermittelt. Eine mögliche Abhängigkeit der elastischen Materialparameter des Weichteilgewebes von Proband und Haltung konnte nicht nachgeweisen werden. Das ermittelte Elastizitätsmodul ist jedoch sehr glaubwürdig. Die Untersuchungen des Schwingungsverhaltens zeigen eine deutliche Haltungsabhängigkeit und eine nachweisbare Probandenabhängigkeit der Dämpfung des menschlichen Körpers. Für die Simulationen wurde ein rein geschwindigkeitsproportionales (newtonsches) Dämpfungsmodell verwendet. Bei gemeinsamer Optimierung statischer und dynamischer experimenteller und numerischer Versuche wurde festgestellt, dass die dynamische Steifigkeit signifikant höher ist als die statische.

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Jödicke, Ralph: Modellbildung und Simulation der großen Deformationen menschlicher Weichteile beim Sitzen. Ilmenau 174 Seiten 2011. Universitätsverlag Ilmenau.

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