Vorlesung 8: Modellierung und Simulation

von Emily P.

Welche Ziele verfolgen Modelle und wozu können sie dienen?

Wozu dient die Methode "Modellierung und Simulation"?

(Weshalb wird im Sports Engineering vermehrt auf Modellierung und Simulation gesetzt? Nennen Sie 3 Möglichkeiten/Vorteile, welche sich durch die Anwendung dieser Methode erschließen!)

Wie sollte ein Modell allgemein beschaffen sein?

(nicht auswendig lernen , aber grobe Konzepte wiedergeben können)

Was versteht man unter mechanischen/physikalischen Modellen?

Nennen Sie 3 mögliche Anwendungsfelder für mechanische Modelle!

Erläutern sie grob das Vorgehen um aus einem mechanischen Modell einen mathematischen Modell zu erstellen

Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile physikalischer Modelle im Vergleich zu mathematischen Modellen.

Nenne 3 Beispiele mechanischer Modelle (MechM) im Sports Engineering

Crashtest Dummies
Liegedummy zur Untersuchung von Druckgeschwüren (Dekubitus)
Schulter-Arm-Hand Surrogat (Tennisarm-Simulator für objektive Schlägertests
Skifahrermodell zur Untersuchung des Rückwärtssturzes bei Verwendung einer neuen Sicherheitfunktion am Skischuh
(Speer)Wurfsimulator
Trockentrainer Snowboard Freestyle
TUM SpGM Hitzkopf (z.B zur Bewertung von Kühlkonzepten von Fahrradhelmen)
Protesen (MechM als Ersatz für Körperteile im paralympischen Sport)

Was versteht man unter Simulation?

Simulation ist die Anwendung von Modellen um Vorhersagen über das Verhalten des betrachteten Systems unter bestimmten Randbedingungen zu machen.

Welche Möglichkeiten zum Aufstellen von mathematischen Bewegungsgleichungen gibt es? Auf welchen mechanischen Grundgleichungen basieren diese? Was sind die Vorteile der beiden Methoden?

1.) Lagrange:

Prinzip Energieerhaltung

Vorteil: Bei komplexen Systemen einfacher und weniger fehlerbehaftet

--> L*=T-V

2.) Netwon-Euler´sche Ansatz:

Prinzip Impuls- & Drekimpulserhaltung

Vorteil: Anschaulicher

--> Änderung des Impulses = m*a

--> Änderung des Drehimpuls= Trägheitsmoment * Winkelbeschl.

Erkären Sie den Unterschied zwischen inverser und direkter Dynamik.

Was sind die jeweiligen Input- und Output-Parameter? Welche Dynamik wendet man an, wenn man untersuchen will...

... welche Gelenkmomente und Muskelkräfte im Bein eines Basketballers wirken, wenn er nach einem Sprung auf den Boden ankommt? (A)

... wie hoch der Basketballer springt bei einer gesetzten Muskelkraft in den Ober- und Unterschenkeln? (B)

Inverse Dynamik:

(A)

externe Schnittlasten (Reaktionskräfte), Kinematik (Beschleunigungen), Massen & Trägheiten

-> Inneren (Gelenk-)Kräfte

Direkte Dynamik:

(B)

Innere (Gelenk-) Kräfte & Momente, Massen & Trägheiten

-> Kinematik

Was ist das Problem wenn man ungenaue Bewegungsdaten zur Inversen Dynamik verwendet? Nennen sie 2 Lösungsansätze um die Bewegungsdaten von aufzuarbeiten und das Problem zu mitigieren

Problem:

Kleine Ungenauheiten beim Erfassen der Marker kann zu Sprüngen in den Bewegungsdaten führen.

An diesen Sprüngen sind die Steigungen sehr hoch

-> Sehr hohe Werte für die Beschleunigung

-> (kurzzeitig) sehr hohe berechnete Kräfte durch inverse Dynamik

-> Man muss das Signal filtern/glätten

Was sind 2 häufige Methoden für Computermodelle im Sports Engineering?

Was sind die Vor- und Nachteile jedes Ansatzes im Vergleich zum anderen

Mehrkörpersimulation (MKS) vs Finite Elemente Methode (FEM)

MKS:

Starre Körper werden mit masselosen Gelenken verbunden

Pro

Leichter und schneller zu berechnen

Con

-> Keine Verformung der Körper -> Keine Info über Zustand im Körper (wir können Körper nicht freischneiden) -> nur Kräfte in Gelenken bekannt

FEM

Modellierung der Körper selbst

Pro

-> Bestimmung der Kräfte im Körper selbst Möglich

Conta

Aufwendiger & Rechenintensiever

Gibt es Unterschiede zwischen mechanisch und biomechanisch optimalen Pedalieren?

Gehen sie näher darauf ein warum es (keine) Unterschiede gibt

Ja es gibt Unterschiede

-> biomechanisch optimal ≠ mechanisch optimal

Mechanischer Index of Efficiency (IE) von biomechanisch optimalen Pedalieren liegt nur bei 36% (nur im 2. Sektor hohe Effizienz, im 4. sogar neg. Effiziens biomech. optimal)