Inhaltsverzeichnis
1. Verschiedene Simulationslösungen unter einem Dach
2. Simulationsdaten- und Prozessdatenmanagement
3. Anwendungsbeispiel Unfallforschung
4. Anwendungsbeispiel Forensik
5. Automatisierte Parameterstudien
6. Große Datenmengen nachvollziehbar verwalten
Am Institut für Rechtsmedizin der LMU in München werden Fragen der Biomechanik und Unfallforschung von einem interdisziplinären Team (Ltg. Prof. Dr. Peldschus) bearbeitet. Dieses Team besteht aus Spezialisten aus Medizin, Biologie, Anthropometrie, Simulation und – wie die Doktorandin Felicitas Lanzl – aus den Ingenieurswissenschaften. Das Themenspektrum ist sehr breit, dazu gehören beispielsweise die Rekonstruktion realer Verkehrsunfälle, die Schutzwirkungen von Motorradkleidung oder Fahrradhelmen, die Veränderungen der Verletzungsrisiken durch die neuen Sitzpositionen von Insassen in autonomen Fahrzeugen, die Validierung von Menschmodellen auf Basis experimenteller Studien oder die Verletzungsmechanik verschiedener Gewebearten wie Haut, Fett, Muskel und Knochen. Dazu nutzen die Experten ein ebenso breites Spektrum an Simulationssoftware: Die Menschmodelle THUMS (Total Human Model for Safety) und GHBM (Global Human Body Model) werden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und verschiedenen Solvern wie LS-Dyna, VPS (Pamcrash) und Abaqus simuliert. Für die Unfallforschung wird zusätzlich Madymo (MAthematical DYnamic MOdels) zur Berechnung von Mehrkörpermodellen eingesetzt. In der Forensischen Biomechanik, dem Spezialgebiet von Lanzl, werden mit der Programmiersprache Fortran benutzerdefinierte Materialmodelle für Haut, Fett-und Muskelgewebe definiert und mit einem FE-Solver gekoppelt, um das Verletzungsverhalten nachzubilden und die Verletzungsmechanik zu analysieren.
Verschiedene Simulationslösungen unter einem Dach
„Von den meisten Programmen setzen wir jeweils die neueste und zusätzlich eine stabil laufende Version ein, um unsere Ergebnisse abzusichern“, berichtet Lanzl. „Insgesamt verwenden wir 13 verschiedene Systeme, die zum Teil auch kombiniert werden. Um konsistent in einer Softwareumgebung zu arbeiten, haben wir den SimManager der MSC Software GmbH, München, eingeführt.“ Dieses Portal bietet viele Möglichkeiten, um die Simulationsdaten aller Solver gemeinsam auf einer Plattform zu verwalten. Legt man in der Lösung ein Projekt an, wird die entsprechende Ordnerstruktur automatisch angelegt. Für jedes Projekt kann man den Beteiligten Rechte einräumen, mit denen verschiedene Zugriffsmöglichkeiten verbunden sind. Für jede Simulation wird ein Status von initial bis final vergeben. „So kann jeder sehen, was andere Projektteilnehmer bearbeitet haben und welche Simulationen letztlich in die Endergebnisse eingegangen sind“, sagt Lanzl. „Jeder im Team erkennt, wer welche Aufgabe wie gerechnet und hochgeladen hat.“ Damit dies alles reibungslos funktioniert, wurde das System von der externen Firma clucon implementiert und jedes einzelne Simulationsprogramm darin integriert. Die installierten Floating-Lizenzen stellen sicher, dass auch Studenten mitarbeiten können, ohne dass Lizenzen und Rechenknoten knapp werden. Denn das SPDM-System schickt die Berechnungsaufgaben aus allen Programmen je nach Priorität in der Warteschlange an das Queuing-System: „So kann man seine Berechnungsaufgabe für eine gewünschte Anzahl Knoten einstellen und am Wochenende abarbeiten lassen,“ erklärt Lanzl.
Simulationsdaten- und Prozessdatenmanagement
Die Simulation generiert größere Datenmengen als jeder andere Konstruktionsprozess. Diese müssen effizient verwaltet werden, damit auf nachvollziehbare Eingabeparameter zurückgegriffen werden kann. Die webbasierten Funktionen der Lösung garantieren die Wiederholbarkeit von Simulationsprozessen durch eine konsistente Verwaltung aller Daten und Modelle und erhöhen die Produktivität indem Prozesse automatisiert und manuelle Funktionen verringert werden.
Anwendungsbeispiel Unfallforschung
In der Unfallforschung untersucht das Team zum Beispiel Fahrradunfälle mit Kopfaufprall in Szenarien mit und ohne Helm mit FEM-Analysen und Madymo. Bei der Rekonstruktion der Kinematik wird mit Modellen aus Mehrkörpersimulationen gearbeitet, die Randbedingungen eines Kopfaufpralls werden dann in die FEM-Simulation übertragen. „Bei der Vielzahl von Szenarien wie Kopfaufprall gegen Bordsteinkante, auf Straße oder Windschutzscheibe ist der gemeinsame Zugang und Austausch in SimManager unverzichtbar“, sagt Lanzl. Jeder im Team hat den Überblick über alle Simulationen zu einem Fall, sieht, welche Szenarien von wem bearbeitet wurden und wie weit die Kollegen gekommen sind. „Für uns ist es sehr praktisch, alle Berechnungen in einer einheitlichen Umgebung mit einem Werkzeug auszuführen. Durch die enge Zusammenarbeit wird man wesentlich effizienter.“
Anwendungsbeispiel Forensik
Die Diplom-Ingenieurin des Maschinenwesens erforscht auf ihrem Spezialgebiet Verletzungsvorgänge unter stumpfer Gewalteinwirkung. Dazu müssen biologische Gewebe unter dynamischer Belastung mittels expliziter FEM untersucht werden. „Die Haut und das oberflächennahe Weichgewebe sind die ersten Schichten des Körpers, die belastet werden“, erläutert Lanzl. „Wenn die Haut nicht realistisch modelliert wird, lassen sich die Spannungen und Dehnungen, die auf die unteren Gewebe wie Muskeln und Knochen einwirken, nicht richtig bestimmen.“ In der Rechtsmedizin wird an entsprechenden Materialmodellen geforscht, um Tathergänge in der Zukunft ergänzend durch Simulationen bewerten zu können. Während des Oktoberfestes in München kommt es zum Beispiel zu Maßkrugschlägereien, die zu schweren Verletzungen führen. Konkret muss für die Juristen die Frage beantwortet werden, ob eine Attacke potenziell tödlich war oder nicht. FEM-Simulationen könnten zukünftig dazu beitragen, hierauf schlüssigere Antworten zu geben – wenn die zugrunde liegenden Materialmodelle der Realität entsprechen.
Automatisierte Parameterstudien
Um die entsprechenden Parameter für die Materialmodelle zu ermitteln, führt Lanzl Experimente an Weichgeweben vom Schwein durch. Neben Zug- und Kompressionsversuchen wird mit Fallversuchen aus unterschiedlichen Höhen die Auswirkung stumpfer Gewalteinwirkung nachgebildet. Die Ergebnisse werden mit entsprechenden Simulationen verglichen. „Weichgewebe zeigt ein sehr komplexes Verhalten, deshalb ist ein iteratives Vorgehen zur Anpassung der verschiedenen Materialparameter erforderlich“; sagt Lanzl. Mit dem SPDM-System kann die Wissenschaftlerin die Parameterstudien teilweise automatisieren, indem sie Wertebereiche und Intervalle für die entsprechenden Parameter angibt, die dann einzeln abgearbeitet werden. Die Arbeit von Lanzl wird wesentlich erleichtert: „Dies bringt eine enorme Zeitersparnis bei geringerer Fehleranfälligkeit. Wenn man alles händisch eingeben muss, kann es leicht passieren, dass man Simulationen vergisst oder falsche Werte eingibt.“ Eine weitere Herausforderung bildet die hohe Deformation von Weichgeweben, die in der klassischen FEM schnell zur Instabilität führt. Die Lösung zeigt wichtige Daten wie Zeitschrittgröße und Energiebilanz sofort als Kurve an. „Dadurch können wir Ergebnisse auf einen Blick vergleichen und Simulationen ausschließen, die nicht zu plausiblen Resultaten führen.“
Große Datenmengen nachvollziehbar verwalten
Die anfallenden großen Datenmengen verwaltet SimManager übersichtlich und nachvollziehbar. Einzelne Berechnungen, aber auch ganze Versuchsreihen lassen sich einfach auffinden. „Zu jedem Parameter finde ich den gesamten Audit-Trail und bekomme die Ergebnisse übersichtlich angezeigt“, freut sich Lanzl. „Insgesamt profitieren wir von einem einfachen Datenaustausch, einer erheblichen Zeitersparnis durch automatisierte Prozesse und die Rückverfolgbarkeit des gesamten Simulationsprozesses. (jg)
Details zum SPDM-System SimManager von MSC Software:
hier.pro/n9h2J
Kontakt:
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Am Moosfeld 13
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