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Martin Eschenbach

• Die numerische Simulation stellt mächtige Werkzeuge zur Verfügung, um technische Probleme zu modellieren und zu analysieren. Als ein solch mächtiges Werkzeug ist die Finite-Elemente-Methode zu nennen. Sie gibt unter anderem Aufschluss über die Spannungs-, Dehnungs-, Kraft- und Drucksituation in Strukturen, die durch In-vivo-Tests nur unter großem Aufwand oder, mangels technischer Möglichkeiten,Die numerische Simulation stellt mächtige Werkzeuge zur Verfügung, um technische Probleme zu modellieren und zu analysieren. Als ein solch mächtiges Werkzeug ist die Finite-Elemente-Methode zu nennen. Sie gibt unter anderem Aufschluss über die Spannungs-, Dehnungs-, Kraft- und Drucksituation in Strukturen, die durch In-vivo-Tests nur unter großem Aufwand oder, mangels technischer Möglichkeiten, gar nicht bestimmbar wären. Das Finite-Elemente-Ganzkörpermodell Jo gewährt solch einen Blick in den menschlichen Körper. Durch bestehende Kontaktdefinitionen innerhalb des Modells ist dessen Bewegungsvermögen im Hüft- und anderen Gelenken gegenüber den natürlichen Bewegungsfähigkeiten eingeschränkt. Ziel dieser Arbeit war die Erhöhung des Bewegungsausmaßes speziell im Hüftgelenk, um Jos Einsatzgebiet zu erweitern. Jo soll bei der Entwicklung innovativer Produkte in den Bereichen Medical, Lifestyle und Automotive Verwendung finden. Alle aufgebauten Modelle und Simulationen wurden auf der 3DEXPERIENCE® Plattform entwickelt und durchgeführt. Sie verwendet im Hintergrund den Solver Abaqus für die Finite-Elemente-Analyse. Zunächst wurde der anatomische Aufbau der menschlichen Gewebeschichten untersucht. Anhand von Ergebnissen wissenschaftlicher Studien konnten konkrete Werte gefunden werden, die die Kontakteigenschaften zwischen menschlichen Gewebestrukturen beschreiben. Aufbauend auf einem Ausgangsmodell, wurden zwei halbseitige Modelle des Becken- und Oberschenkelbereichs mit Knochen-, Muskel-, Fett- und Hautgewebe erstellt und weiterentwickelt, die in ihrem Realitätsgrad zunahmen. Die Anpassung der Kontakteigenschaften führten zu dem gewünschten erweiterten Bewegungsausmaß im Hüftgelenk. Außerdem wurden die Parameter des Hautgewebes untersucht und angepasst, um unter Druckbelastung ein realistischeres Verformungsverhalten zu erreichen. In einem letzten Schritt wurde ein Anwendungsfall simuliert und zwei Modelle mit unterschiedlichen Kontaktdefinitionen rein qualitativ verglichen. Es war zu erkennen, dass durch den Einsatz von anatomienahen Kontaktdefinitionen die Gleitfähigkeit von Gewebe innerhalb des Körpers gefördert wird. So treten nach diesem Eingriff im Gewebe keine Dehnungsspitzen mehr auf, die das Bewegungsausmaß einschränken.…
• Numerical simulation provides powerful tools to model technical problems and to analyze them. One of those powerful tools is the finite element method. Among other things, it provides information about stresses, strains, forces and the pressure situation in structures that could only be determined by in vivo studies at great expense or, due to a lack of technical possibilities, not at all. TheNumerical simulation provides powerful tools to model technical problems and to analyze them. One of those powerful tools is the finite element method. Among other things, it provides information about stresses, strains, forces and the pressure situation in structures that could only be determined by in vivo studies at great expense or, due to a lack of technical possibilities, not at all. The finite element model Virtual Human Jo provides such an insight into the human body. Due to existing contact definitions within the model, its range of motion in the hip joint and other joints is restricted. The aim of this work was to increase the range of motion in the hip joint so that Jo's area of application can be extended. It is supposed to be used in the development of innovative products in the medical, lifestyle and automotive sectors. All models and simulations were carried out on the 3DEXPERIENCE® platform, which applies the Abaqus solver in the background for the finite element analysis. In a first step, the anatomical structure of the human tissue layers was analysed. Based on the results of scientific studies, specific values were found that describe the contact properties between the human tissue structures. Then, starting from an initial model, two half-sided models of the pelvis and thigh area with bone, muscle, fat and skin tissue were designed and refined by multiple steps, thus coming close to natural movement. The adaptation of the contact properties led to the desired improved range of motion in the hip joint. In addition, the parameters of the skin tissue were investigated and adapted in order to produce a much more realistic deformation behaviour when compressed. In a final step, an application scenario was simulated, and two models with different contact definitions were compared in purely qualitative terms. It turned out that the implementation of contact definitions close to anatomy considerably improves the sliding behaviour of tissue within the model. In the tissue no more unnatural strain peaks restricting the range of motion were observed.…