– Experimentelle Modalanalyse des menschlichen Hals-Kopfbereichs
– Methode übertragbar auf beliebige mechanische Strukturen
Warum kann das für Sie interessant sein?
Die Experimentelle Modalanalyse des menschlichen Hals-Kopfbereichs ist als Methode übertragbar auf beliebige mechanische Strukturen.
Wenn sie Lust haben, lassen Sie sich ein auf ein paar weiterführende Gedanken und sprechen Sie mich an, wenn Sie Beratung im Bereich Modalanalyse an technischen oder biologischen Strukturen benötigen.
In meiner Zeit an der Universität Straßburg habe ich mich intensiv mit Biomechanik beschäftigt.
Meine Arbeit dort betraf die schwingungstechnische Strukturanalyse am Beispiel des menschlichen Körpers; mein Spezialgebiet war im Bereich der Unfallforschung das Verhalten des menschlichen Halses bei Heckaufprall.
Insbesondere geht es darum, die wissenschaftlichen Grundlagen für Rückhaltesysteme in Autos zu schaffen, die der Verhinderung des Schleudertraumas dienen.
Üblicherweise werden Versuche zu Unfallauswirkungen auf Insassen an Testpuppen (Dummies) durchgeführt.
Die auf die Testpuppen wirkenden Beschleunigungen und Kräfte werden in ihrem zeitlichen Verlauf aufgezeichnet und ausgewertet.
Liegen die Werte innerhalb der als zumutbar definierten Grenzen, gilt das System “Fahrzeug-Rückhaltesystem” als “sicher”.
Diese Methode hat eine Schwäche, die anhand eines bekannten Versuchs leicht erklärt werden kann:
Stellen sich 50 Menschen auf eine Brücke, so wirken sie mit ihrer Masse von ca. 4 Tonnen auf deren Oberfläche.
Ist die Brücke für z.B. 4,5 Tonnen ausgelegt, wird sie der Belastung standhalten.
Marschieren diese 50 Menschen nun im Gleichschritt über die Brücke und treffen dabei die Eigenschwingungsfrequenz der Brücke – das ist die Frequenz, bei der sich die Brücke so wohl fühlt, dass sie, einmal angestoßen, eine Weile weiterschwingt – wird sich die Schwingung der Brücke aufschaukeln. Sie gerät in Resonanz mit der Anregung.
Da in dieser Eigenfrequenz sehr wenig Energie erforderlich ist, die Schwingung aufrecht zu erhalten bzw. sogar weiter anzuregen, wird die Brücke nach kurzer Zeit überlastet und brechen – auch wenn die beteiligte Masse von 4 Tonnen zu keinem Zeitpunkt überschritten war.
Das Selbe passiert bei einem Heckaufprall:
Die beim Aufprall eingebrachte Energie versetzt die Struktur Kopf-Hals in Schwingungen. Wenn dabei die Eigenschwingungen der biomechanischen Struktur getroffen werden, kommt es zu inneren Verletzungen.
Mit den herkömmlichen Methoden – der Beschreibung von Belastungskorridoren – wird dieser Mechanismus nicht in die Anlayse einbezogen.
Da der Kopf-Halsbereich sehr komplex aufgebaut ist – sieben Halswirbel, Kopf, Bänder, Sehnen, Muskeln, Gelenke – muss zunächst ein geeignetes Modell gefunden werden, das die Realität hinsichtlich der Fragestellung in vereinfachter Form valide abbildet.
Ein verblüffend einfaches – und dabei valides Modell ist der “BICOU” – Cou biarticulé = “Zweigelenkhals”: Die sieben Halswirbel werden durch eine starre Struktur ersetzt, die mit dem unteren Ende am Thorax und mit dem oberen Ende am Kopf in der Sagittalebene gelenkig gelagert ist. Die Gelenke sind jeweils mit einem rotatorischen Freiheitsgrad mit Steifigkeit und Dämpfung versehen [Bild].
Nun wird diese Struktur so mit Beschleunigungssensoren versehen, dass die Bewegungen der beiden Enden der Ersatzwirbelsäule sowie der Schwerpunkt des Kopfes erfasst werden können.
Die Fouriertransformation der Beschleunigungen liefert letztlich die charakteristischen Verformungen und die dazugehörigen Frequenzen.
Dies – um auf den Anfang zurückzukommen – ist mit allen denkbaren technischen Strukturen ebenso machbar.
Es kann also die oben erwähnte Brücke ebenso analysiert werden wie ein Turm, eine Zwischendecke in einer Halle, ein LKW-Auflieger usw.
Versuche
Nach ausgiebigen Dummy- und Selbstversuchen habe ich 30 Personen getestet. 15 Frauen und 15 Männer unterschiedlicher Statur.
Die Probanden wurden in Längsrichtung (“Fahrtrichtung”) mit einem Frequenzgemisch von 0,2 bis 16Hz angeregt und die resultierenden Beschleunigungen an den o.g. Sensoren erfasst.
Die nachfolgende Datenaufbereitung und Auswertung liefert die Modalverformungen bei den jeweiligen Frequenzen.
Fazit
Die erste Eigenfrequenz (Flexion) liegt im Bereich von ca. 1,5Hz, die zweite Eigenfrequenz bei entspannter Halsmuskulatur bei ca. 7,5Hz, im angespannten Zustand bei ca. 9Hz.
Auf die Anwendung “Sitz- und Rückhaltesysteme angewandt bedeutet dies, dass die Systeme in diesen Frequenzbereichen besonders intensiv entkoppelt werden müssen.
Falls Ihnen jetzt der Kopf brummt – Kompliment für Ihr Durchhalten.
Falls Sie aber Lust haben, mehr zu erfahren – kontaktieren Sie mich!
Der menschliche Kopf-Halsbereich von der Seite gesehen.
Die Halswirbelsäule trägt die Masse des Kopfes.
Das vereinfachte Modell ersetzt die Wirbelsäule durch eine starre Verbindung mit einem Gelenk zum Thorax und einem Gelenk zum Kopf.
Die Theorie des “Zweigelenkhalses” im Modell.
Die Gelenke sind mit einem Drehfreiheitsgrad in Sagittalebene sowie einer Drehsteifigkeit und einer Dämpfung versehen.
Ein Dummy auf dem Schwingungsprüfstand.
Hier wird ein Frequenzgemisch im Bereich von 0,2…16Hz in Längsrichtung aufgeprägt.
Die graphische Darstellung der Modalverformung:
Im unteren Frequenzbereich bei ca. 1,5Hz findet die Flexion statt, im Bereich von 10…15Hz die Retraktion.
Im Histogramm:
Im entspannten Zustand ist eine Häufung der Eigenfrequenzen bei 1,5Hz und bei 7,5 Hz zu beobachten.
Wird der Muskeltonus während des Versuchs erhöht (die Halsmuskulatur angespannt) verschieben sich die Eigenfrequenzen im unteren Bereich geringfügig, im oberen Bereich deutlich nach oben, die Streuung nimmt zu.