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Berechnung von Muskel- und Gelenkkräften mit AnyBody

Das „AnyBody Modeling System“, kurz AnyBody, ist das weltweit führende Softwaresystem für muskuloskelettale Simulationen. Mit AnyBody lässt sich die Mechanik des menschlichen Bewegungsapparats unter Berücksichtigung der Muskeln analysieren und es können beispielsweise Aussagen über Muskel- oder Gelenkkräfte, die elastische Energie in Sehnen oder die Muskelaktivität getroffen werden. Aufgrund der wertvollen Informationen, die AnyBody hinsichtlich äußerer Körperbelastungen liefert, liegen wichtige Anwendungsgebiete in den Bereichen Ergonomiebewertung, Rehabilitation, Sport und Entwicklung von Implantaten.

AnyBody und ANSYS

Die von AnyBody berechneten Muskel- und Gelenkkräfte können als Randbedingungen für FEM-Simulationen eingesetzt werden. Um die Kräfte zwischen dem MKS-System AnyBody und dem FEM-System ANSYS auszutauschen, verfügt CADFEM über entsprechende Skripte und Schnittstellen. Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Implantatentwicklung. Die von AnyBody berechneten, realitätsnahen Muskel- und Gelenkkräfte können auf ein FEM-Modell eines Implantat-Knochen-Verbundes übertragen werden.

Sport: Untersuchung der Körperbelastung beim Federballspiel

Badminton ist ein Tempo-, Geschicklichkeits- und Strategiespiel. Mit Ballgeschwindigkeiten von bis zu 330 km/h wird es oft als der schnellste Schlägersport der Welt bezeichnet. Über die Jahre hat sich das Schlägermaterial vom Holzrahmen über Stahl und Glasfaser hin zu Aluminium, Carbon, Grafit sowie Bor entwickelt. Dieser Fortschritt führte zu stärkeren, steiferen und leichteren Schlägern, die eine höhere Spannung der Saiten unterstützen und damit ein noch schnelleres Spiel ermöglichen.

Ein Geheimnis ist nach wie vor der Zusammenhang von Design und Leistung der Schläger. Um ein besseres Verständnis für die Wechselwirkung zwischen Spieler und Schläger zu bekommen, beobachtet man das Verhalten des Schlägers und die Bewegungslinie während eines Schlags. Durch diese Analyse gewinnt man ein besseres Verständnis dafür, welche Eigenschaften des Schlägers sich in welcher Weise auf das Spiel auswirken. Dank dieser Herangehensweise können Schläger möglicherweise noch leistungsstärker konstruiert werden. Darüber hinaus untersucht man mithilfe des AnyBody Modeling Systems beispielsweise die Belastung im Schultergelenk des Spielers – abhängig von der Schlagstärke sowie vom Material des Schlägers. Das Ziel ist die Reduzierung falscher Armhaltungen und die Entwicklung eines weicheren Bewegungsablaufs.

 

Prothetik: Spannungsbewertung eines Implantats

Jährlich werden in Deutschland mehrere Hunderttausend Implantate verkauft. Das Gesetz schreibt für deren Marktzulassung standardisierte Lebensdauertests (z. B. ISO 7206-4) durch die Hersteller vor. Diese Tests sind zwar bewährt, stellen aber nicht unbedingt ein reales Belastungsprofil dar. Zu einem tieferen Verständnis der Implantatbeanspruchung kann die Kopplung von AnyBody und ANSYS verhelfen.

Für eine beliebige Körperbewegung, wie z. B. Gehen oder Treppensteigen, können mit dem AnyBody-Modell die jeweils wirkenden Muskel- und Gelenkreaktionskräfte realitätsnah berechnet werden. Die so berechneten Muskel- und Gelenkkräfte der AnyBody-Analyse werden dann über eine Schnittstelle auf ein FEM-Modell eines Knochen-Implantat-Verbundes in ANSYS Workbench übertragen. Damit können das Verformungsverhalten und die auftretenden mechanischen Spannungen am Implantat unter realistischen Belastungen untersucht werden. Ausgehend von den auftretenden Spannungen ist eine Einschätzung der Implantatüberlastung bei hohen Beanspruchungen (z. B. durch das Patientengewicht) oder der Lebensdauer der Implantate möglich.

 

Ergonomie: Optimierung der Position am Arbeitsplatz

Bei jeder Art von Arbeitsplatz – ob sitzend, stehend oder über Kopf – kommt es darauf an, durch komfortable und gut handhabbare Produkte ein effizientes, fehlerfreies Arbeiten sicherzustellen und die Menschen vor Gesundheitsschäden zu schützen, gerade bei langfristiger Ausübung einer Tätigkeit. Die Betrachtung typischer, sich wiederholender Tätigkeiten zeigt sehr gut, inwiefern die Arbeitsposition für die Entstehung von Muskel- und Gelenkkräften verantwortlich ist.

Die zentralen Fragen: Wann kommt es zur Überbelastung? Wie kann die Belastung reduziert werden?

Mit dem AnyBody Modeling System kann die optimale Einstellung bestimmt werden, um zu große Muskelkräfte zu vermeiden – wie beispielsweise in der oben abgebildeten Arbeitssituation am Lenkrad eines Gabelstaplers. Dabei zeigt zum Beispiel eine Parametervariation, dass die Neigung der Achse oder der Durchmesser der Griffposition einen erheblichen Einfluss auf die Belastung der Muskeln und Gelenke hat.

 

Leistungsmerkmale

AnyBody ist ein sogenanntes inverses Mehrkörpersystem. Auf Basis äußerer Bewegungsmuster und zugehöriger Lasten, wie sie beispielsweise beim Gehen entstehen, werden die entsprechend notwendigen Muskel- und Gelenkkräfte berechnet. Für die Berechnung der Muskelkräfte sind Optimierungsverfahren notwendig. Verschiedene Verfahren sind in AnyBody implementiert. AnyBody ist eine skriptbasierte Software und ermöglicht somit einen hohen Grad an Flexibilität.

AnyBody liefert ein eigenes, stets aktualisiertes Repository. Das AnyBody Managed Model Respository (AMMR) ist eine Bibliothek aus Menschmodellen, die für verschiedene Bewegungen bzw. Belastungen vorgefertigt und in der Regel validiert sind. Solche Modelle gibt es beispielsweise für die Simulation eines Gangzyklus oder eines Kauvorgangs. Ebenso stehen detaillierte Modelle bestimmter anatomischer Regionen zur Verfügung – so zum Beispiel der Bein- und Fußmuskulatur bzw. des Bein- und Fußskeletts.

Zu ANSYS existiert eine Exportfunktion, die ein ANSYS APDL-Skript erzeugt.

Für AnyBody gibt es ein Add-in für SolidWorks. Das Add-in übersetzt die SolidWorks CAD-Modelle in ein AnyBody-Skript. Für die einzelnen SolidWorks-Bauteile werden in AnyBody jeweils einzelne Segmente erzeugt, wobei die definierten kinematischen Verbindungen und Masseeigenschaften berücksichtigt werden.

Bewegungsdaten aus den gängigen Motion-Capture-Systemen wie Vicon oder Simi können, sofern sie im C3D-Format vorliegen, in AnyBody eingelesen und direkt weiterverarbeitet werden. Die Skalierung und Anpassung der Marker an das AnyBody-Modell geschieht weitgehend automatisch.

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