Beitrag zur numerischen Simulation des Wirbelsäulenverhaltens eines Kraftfahrers infolge durch Straßenunebenheiten induzierter Ganzkörperschwingungen

Schube, Falko; Meskouris, Konstantin

doi:HT013344024

Beitrag zur numerischen Simulation des Wirbelsäulenverhaltens eines Kraftfahrers infolge durch Straßenunebenheiten induzierter Ganzkörperschwingungen

Schube, Falko (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Falko Schube

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangIV, 142 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-02-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2988
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60409/files/Schube_Falko.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Medizin (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Im Laufe der Evolution wurde die Anatomie des menschlichen Körpers optimal an den Abtrag vertikaler statischer Lasten angepasst. Berufskraftfahrer sind an ihrem Arbeitsplatz jedoch lang anhaltenden, in vertikaler Richtung wirkenden Schwingungszuständen ausgesetzt, die zu einer gesundheitlichen Schädigung im Bereich der Lendenwirbelsäule führen können, da die Muskeln nicht geeignet sind, die dynamischen Belastungen aufzunehmen. Insbesondere lang andauernde Einwirkung von Ganzkörperschwingungen tragen so zu degenerativen Veränderungen der Lendenwirbelsäule bei. Um die Auswirkungen der auf einen Kraftfahrer einwirkenden Ganzkörperschwingungen zu quantifizieren, wird eine numerische Simulationsumgebung entwickelt, bestehend aus den Elementen Straßenprofilgenerator, numerisches Fahrzeugmodell und einem räumlichen Modell des sitzenden Menschen. Die Straßenunebenheit in Längsrichtung kann mathematisch durch die Spektrale Dichte charakterisiert werden. Basierend auf der Methode der autoregressiven Filtertechnik wird ein Profilgenerator vorgestellt, der in der Lage ist, ein beliebig langes Straßenprofil zu generieren, das über vorab definierte spektrale Unebenheitsparametern verfügt. Um die Auswirkungen von Ganzkörperschwingungen auf den menschlichen Körper abzuschätzen, wird mittels der Methode der Finiten Elemente ein Modell des sitzenden Menschen entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells kann der sich im Bereich der Lendenwirbelsäule infolge der Überfahrt über ein bestimmtes Unebenheitsprofil einstellende Schwingungszustand berechnet werden. Die entwickelte Simulationsumgebung ermöglicht so eine vergleichende Bewertung des gesundheitlichen Schädigungspotentials, dem Berufskraftfahrer infolge unterschiedlicher Straßenqualitäten ausgesetzt sind.

In the course of human evolution, the anatomy of the body has been optimally adapted to static vertical loading. However, many of today’s professionals, such as truck or bus drivers, have to work under conditions of sustained low-level vibrations. The main reason why such vibrations lead to vertebral disc damage is that the muscles are unable to compensate for the cyclic loading imposed to the spine, and therefore cannot adequately protect the spine from the mechanical forces induced by these vertical vibrations. Especially long-term exposure to whole-body vibrations (WBV) in a driving environment contributes to early degeneration of the lumbar spinal system. In order to evaluate the effects of the vibration environment likely to be encounterd by professional drivers, a numerical simulation tool has been developed. Essential elements of the simulation system are a profile generator, a numerical model of a truck and a three-dimensional model of the human upper body including the head, spine and pelvis. The uneveness of the road in the longitudinal direction can be described mathematically by its spectral density. Based on the technique of autoregressive filters, a profile generator has been developed which is in a position to calculate arbitrary long profiles of roads satisfying given quality standards. To estimate the impact of the whole-body vibrations induced by the road uneveness to the human body, a three-dimensional model of the human spine, torso and head has been developed using the finite element method. The model is used to study the response of the lumbar spinal system to the vibrations induced by the uneveness profiles of different road quality levels. The simulation environment enables the engineer to compare the damage potential of different uneveness profiles as a function of the mechanical forces developed in the lumbar spine.

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