Titelaufnahme

Titel
Modeling and simulation studies of ski vibrations, ski boot rear stiffness and ACL-injury prone landings
VerfasserEberle, Robert
Begutachter / BegutachterinKaps, Peter ; Federolf, Peter
Betreuer / BetreuerinKaps, Peter ; Nachbauer, Werner ; Oberguggenberger, Michael
ErschienenInnsbruck, März 2016
Umfang126 Seiten : Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Datum der AbgabeMärz 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Modellierung / Simulation / Skifahren / Ski Schwingungen / Mehrkörperdynamik / Zufallsfelder / Skischuhsteifigkeit / Muskuloskeletale Simulationmodell / Monte Carlo Simulation / Kreuzbandverletzungen
Schlagwörter (EN)Modeling / Simulation / Skiing / Ski vibration / Multibody dynamics / Random fields / Ski boot rear stiffness / Musculoskeletal simulationmodel / Monte Carlo simulation / ACL-injuries
Schlagwörter (GND)Skilauf / Kreuzbandverletzung / Ski / Skischuh / Vibration / Monte-Carlo-Simulation
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im alpinen Ski-Weltcup sind Verletzungen des vorderen Kreuzbandes die am häufigsten auftretenden ernsthaften Verletzungen. Die Verletzungen können in drei typische Verletzungssituationen unterteilt werden: „Rutschen-Fangen“, „Dynamischer Schneepflug“ und „Landen in Rücklage“. Will man Verletzungen des vorderen Kreuzbandes verhindern, ist es nötig, die zugrundeliegenden Verletzungsmechanismen wie „Phantom-Fuß“, „Vorwärts-Drehsturz“ und „vordere Schublade“ detailliert zu verstehen. Eine Möglichkeit, diese Verletzungsmechanismen besser zu verstehen, bieten vor allem Computersimulationen. In den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Computersimulationen entwickelt und angewendet, um Kreuzbandverletzungen im alpinen Skisport zu untersuchen. Allerdings weisen diese Studien einige Vereinfachungen in gewissen Bereichen auf.

Die Verletzungssituationen „Rutschen-Fangen“ und „Dynamischer Schneepflug“ treten während dem Kurvenfahren und Queren auf und sind sehr stark von der dynamischen Interaktion zwischen Ski und Schnee abhängig. In den existierenden Simulationsmodellen, mit denen Kurvenfahrten simuliert werden können, werden Vibrationen eines Skis derzeit noch nicht berücksichtigt. Da Ski-Vibrationen die dynamische Interaktion zwischen Ski und Schnee wesentlich beeinflussen, sollten diese jedoch berücksichtigt werden. Im ersten Teil dieser Dissertation (Kapitel 2) wurden deshalb Vibrationen eines Alpinskis untersucht. Der Ski wurde als dynamischer Euler-Bernoulli-Balken mit exakten geometrischen bzw. mechanischen Daten modelliert und die Dämpfung der Vibrationen durch zwei Terme, welche die innere (Materialdämpfung) bzw. äußere (Schnee- bzw. Boden-) Dämpfung des Skis beschreiben, berücksichtigt. Die Bodenreaktionskraft wurde mittels Kelvin-Voigt-Stoffgesetzt modelliert. Die unbekannten Dämpfungsparameter wurden anhand von Messdaten und der Methode der minimalen Fehlerquadrate bestimmt. Außerdem wurden Methoden, welche es erlauben, den Einfluss von zufälligen Pistenunebenheiten (z.B. Rippen) auf die Performance eines Skifahrers zu berücksichtigen, entwickelt. Es wurden Vibrationen eines einzelnen Skis bei Fahrt über eine horizontale Piste mit einer Mulde untersucht, ein Mehrkörper-Modell entwickelt, welches die Fahrt eines Skifahrers über eine Buckelpiste simuliert und ein Modell präsentiert, das zufällige Unebenheiten einer Piste als Zufallsfeld anhand von Messdaten generiert. Die Erkenntnisse dieser Studie sollten nun in den bestehenden Simulationsmodellen berücksichtigt werden.

Die Kreuzband-Verletzungssituation „Landen in Rücklage“ tritt während der Landung nach einem Sprung im Alpinen Skirennsport auf. Ohne den Einfluss der Muskelkräfte zu berücksichtigen, zeigten Simulationen, dass mit steigender Skischuhschaftsteifigkeit das Risiko von vorderen Kreuzbandverletzungen bei Landungen in Rücklage zunimmt. Da Muskelkräfte die Kräfte im vorderen Kreuzband bei Landungen wesentlich beeinflussen, wurde im zweiten Teil dieser Dissertation (Kapitel 3) der Einfluss von unterschiedlich steifen Skischuhen auf die Kraft im vorderen Kreuzband unter Berücksichtigung der Muskelkräfte untersucht. Diese Untersuchungen wurden mit einem zwei-dimensionalen muskoloskeletalen Simulationsmodell durchgeführt.

Im Simulationsmodell wird die vom Skischuh auf den Skifahrer übertragene Kraft durch einen Moment-Winkel-Verlauf im Sprunggelenk implementiert. Bei Messungen des Moment-Winkel-Verlaufs von Skischuhen treten typischerweise nichtlineare Hysterese-Kurven auf. In früheren Untersuchungen wurden dieser Moment-Winkel-Verläufe durch ein lineares Hysterese-Modelle berücksichtigt. In dieser Arbeit wurde ein nichtlineares Modell, welches nichtlineare Hysteresedaten genauer beschreibt, entwickelt und in das muskoloskeletale Simulationsmodell implementiert.

Der Einfluss von unterschiedlich steifen Skischuhen auf die Kraft im vorderen Kreuzband sollte während Kreuzband-verletzungsgefährdenden Landungen untersucht werden. Dazu wurden kinematische Daten von derartigen Situationen benötigt. Da es allerdings sehr wenige solche Daten gibt, wurde eine Methode entwickelt, derartige Daten mittels Simulationen und Messdaten sicherer Bewegungen zu generieren. Die so erzeugten Verletzungssituationen stimmen mit anderen Studien gut überein.

Schließlich wurde das muskoloskeletale Simulationsmodell mit dem verbesserten Skischuhmodell und die erzeugten verletzungsgefährdenden Landungen angewendet, um den Einfluss von unterschiedlich steifen Skischuhen auf die Kraft im vorderen Kreuzband zu untersuchen. Die Steifigkeit wurde variiert und die verletzungsgefährdenden Landungen nochmals simuliert. Mit zunehmender Steifigkeit wurde ein signifikanter Anstieg in der Kraft des vorderen Kreuzbandes festgestellt. Dieser Anstieg wird durch eine höhere Kraft, die ein steiferer Skischuhschaft auf die Tibia ausübt, und durch eine größere Muskelkraft des Quadrizeps verursacht. Die simulierten Landungen zeigten zum Zeitpunkt der maximalen Kreuzbandkraft auch sehr geringe Muskelkräfte der Hamstrings.

Auf Grund von Nachteilen im Kurvenfahren wird ein weniger steifer Skischuhschaft von den Skirennläufern jedoch nicht akzeptiert. Um die Belastung des vorderen Kreuzbandes bei „Landung in Rücklage“ zu verringern, könnte man daher eine Reduktion der Quadrizeps-Muskelkräfte in Betracht ziehen bzw. sollte man den schützenden Effekt der Hamstrings bei der Landung (Co-Kontraktion) untersuchen.

Zusammenfassung (Englisch)

Most frequent serious injuries in World Cup alpine ski racing are injuries of the anterior cruciate ligament (ACL). In the World Cup three main ACL-injury situations were identified: slip catch, dynamic snow plow and landing back-weighted. In order to prevent ACL injuries it is required to understand the injury mechanism of such incidents. Computer simulations are helpful tools to investigate the mechanical behavior of the skiing equipment and to gain a better understanding of injury mechanisms like phantom foot, forward twisting fall and boot induced anterior drawer (BIAD). In the past decades, several computer simulation models were developed and applied to investigate the ACL-injury situations in alpine skiing. However, some of these studies contain some simplifications in various respects.

The slip-catch and dynamic snowplow ACL injury situations occur during turns and traversing, respectively, and are strongly influenced by the dynamic interaction between the ski and the snow. Existing simulation models can be used to investigate turns. However, these models do not take into account the vibration of the skis. Since ski vibrations influence the dynamics of the ski-snow interaction considerably ski vibrations have to be considered. Thus, transversal vibrations of an alpine ski were investigated in the first part of this thesis (chapter 2). The ski was modeled as a dynamic Euler-Bernoulli beam using exact geometric and mechanical data. Damping was incorporated by two terms, describing internal and external damping, respectively. The ground reaction force was modeled by a Kelvin-Voigt constitutive equation. The damping parameters were determined in a least squares sense from measured data. In addition, essential preparation was done to investigate how riplets and surface disturbances of a ski slope randomly contribute to the performance of a skier during schussing. Vibrations of a moving ski over a horizontal run including one single dip were investigated. A multibody simulation model of schussing over a bumpy slope was developed. In addition, a model of a slope including random unevenness was presented using random fields form collected data of a slope surface. These data were collected by a high resolution laser scanner. The findings of this study should be used to improve the existing simulation models.

Landing back-weighted ACL-injury situations occur during jump landing in alpine ski races. Without considering muscles simulated back-weighted landing situations showed a higher ACL-injury risk with increasing ski boot rear stiffness. It is well known that muscle forces affect ACL forces during landing. Thus, the purpose of the second part of this thesis (chapter 3) was to investigate the effect of different ski boot rear stiffness on ACL forces during injury prone landings considering muscle forces. The investigation was done based on an existing two-dimensional musculoskeletal simulation model.

In the musculoskeletal simulation model the ski boot was implemented by a moment-angle relation in the ankle joint. Measurements of the ski boot moment-angle relation showed hysteresis curves. In a first approach the ski boot moment-angle relation was implemented by a linear hysteresis model. Since typical measurements show nonlinear hysteresis curves the linear ski boot model had to be improved. A non-linear hysteresis model of a ski boot was developed based on measurements and was implemented in the musculoskeletal simulation model.

The effect of different ski boot rear stiffness on ACL forces had to be investigated during injury prone landings. Therefore, kinematics data of injury prone landings were required. Generally kinematics data of injury prone situations are rare. Thus, an approach was developed to generate kinematics data of ACL injury situations with a computer using measured data of non-injury situations. For this aim a musculoskeletal simulation model and the method of Monte Carlo simulation was applied. This approach was applied on jump landings in downhill skiing. The results of the generated landings were consistent with other studies.

Finally, the musculoskeletal simulation model with the improved ski boot model and the generated injury prone landing situations were used to study the effect of different ski boot rear stiffness on ACL forces. Subsequently the ski boot rear stiffness was varied and the injury prone landings were recomputed. The maximal ACL forces and contributing factors to ACL forces were compared for the different ski boot rear stiffness levels. In the injury prone landings the maximal ACL forces increased significantly with increasing ski boot rear stiffness. It was found that the increased maximal ACL force was caused by increased forces acting on the tibia and higher quadriceps muscle forces, both due to an increase of ski boot rear stiffness levels. The simulated landings also showed low hamstring muscle forces at the time of maximal ACL forces.

Practical experience suggested that the reduction of ski boot rear stiffness is not accepted by ski racers due to performance reasons. Thus preventive measures to reduce ACL forces during landing back-weighted may concentrate on the reduction of the quadriceps muscle force or on the protective effect of the hamstrings (co-contraction) during impact.