In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt zur Untersuchung der Funktionalität von Sportgeräten konzipiert und vorgestellt. Die mechanische Simulation ist die gegenständliche Nachbildung spezieller Teilaspekte des Sportlers, z.B. der Körperform, der Trägheitseigenschaften, der Masse, der Interaktionskräfte zur Umwelt oder charakteristischer Bewegungsabläufe zum Zweck der Durchführung gezielter Experimente zur Untersuchung des dynamischen Systemverhaltens Sportler-Sportgerät-Umwelt. Dazu werden drei Fallbeispiele aus der Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe HLST an der Technischen Universität Chemnitz mit Methoden zur Verifikation von Simulationsmodellen – dem strukturierten Durchgehen, der Validierung im Dialog und dem Schreibtischtest – analysiert. Die Analyseergebnisse werden in eine Grobstruktur eingebettet, die aus relevanten Vorarbeiten zur Anwendung der Allgemeinen Modelltheorie abgeleitet ist. Die in den jeweiligen Fallbeispielen verwendeten Prozessschritte, Methoden und Werkzeuge werden dargestellt und die Entwicklungsergebnisse erörtert. Im Abschluss jedes Fallbeispiels wird der Entwicklungsprozess anhand von einheitlichen Kriterien bewertet. In einem abschließenden Schritt erfolgt die Zusammenführung der im Stand der Technik dargelegten Grundlagen und der in den drei Fallbeispielen gewonnenen Informationen zu einer strukturieren und kommentierten Methodik. / In this dissertation a methodology is conceived that aims to structure the development process of test arrangements that mechanically simulate the interaction of athlete, sports equipment and environment. Mechanical simulation in this context is defined as the physical replication of specific properties of the athlete (e.g. the shape of the human body, body weight, joint kinematics, inertia, external forces in specific movements) in order to conduct experiments to investigate the dynamic behavior of the system athlete-equipment-environment. Therefore, three case studies of mechanical simulation models that have been developed at Technische Universität Chemnitz are analyzed by applying the validation and verification methods “structured walkthrough”, “face validity” and “desk checking”. The results of that analysis are embedded into a framework that is derived by literature review on applied model theory. For each of the three development processes the procedure model is identified and main tools and methods are discussed. Every case study is finally assessed by using standardized evaluation criterions. Finally, the main findings of the analysis of the case studies as well as knowledge obtained by reviewing the state of the art in model theory and simulation methods are used to build up a structured and commentated guideline.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt zur Untersuchung der Funktionalität von Sportgeräten konzipiert und vorgestellt. Die mechanische Simulation ist die gegenständliche Nachbildung spezieller Teilaspekte des Sportlers, z.B. der Körperform, der Trägheitseigenschaften, der Masse, der Interaktionskräfte zur Umwelt oder charakteristischer Bewegungsabläufe zum Zweck der Durchführung gezielter Experimente zur Untersuchung des dynamischen Systemverhaltens Sportler-Sportgerät-Umwelt. Dazu werden drei Fallbeispiele aus der Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe HLST an der Technischen Universität Chemnitz mit Methoden zur Verifikation von Simulationsmodellen – dem strukturierten Durchgehen, der Validierung im Dialog und dem Schreibtischtest – analysiert. Die Analyseergebnisse werden in eine Grobstruktur eingebettet, die aus relevanten Vorarbeiten zur Anwendung der Allgemeinen Modelltheorie abgeleitet ist. Die in den jeweiligen Fallbeispielen verwendeten Prozessschritte, Methoden und Werkzeuge werden dargestellt und die Entwicklungsergebnisse erörtert. Im Abschluss jedes Fallbeispiels wird der Entwicklungsprozess anhand von einheitlichen Kriterien bewertet. In einem abschließenden Schritt erfolgt die Zusammenführung der im Stand der Technik dargelegten Grundlagen und der in den drei Fallbeispielen gewonnenen Informationen zu einer strukturieren und kommentierten Methodik.:1 Einleitung 8 1.1 Definitionen 8 1.2 Einsatzgebiete der mechanischen Simulation 11 1.2.1 Überblick 11 1.2.2 Sicherheit gegen Versagen 12 1.2.3 Konformität 14 1.2.4 Funktionalität 15 1.3 Motivation und Zielsetzung 16 1.4 Aufbau der Arbeit 16 2 Theoretische Grundlagen 18 2.1 Experimentelle Methoden der Sportgeräteentwicklung 18 2.1.1 Einordnung nach Odenwald (2006) 18 2.1.2 Einordnung nach Witte (2013) 19 2.1.3 Einordnung nach Senner (2001) 20 2.1.4 Eigene Systematisierung 23 2.2 Allgemeine Modelltheorie 26 2.3 Existierende Ansätze für die Applikation der Allgemeinen Modelltheorie 29 2.3.1 Anwendung der AMT in der Chemie 29 2.3.2 Anwendung der AMT in der Biomechanik 30 2.3.3 Anwendung der AMT in Logistik und Produktion 32 2.3.4 Fazit 37 3 Präzisierung der Problemstellung 38 4 Methodik 39 5 Fallbeispiel Schwimmanzug – Strömungswiderstand 41 5.1 Vorbemerkungen 41 5.2 Aufgabenanalyse 42 5.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität des Sportgeräts 42 5.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 42 5.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 43 5.2.4 Identifikation des Originals 47 5.3 Modellformulierung 48 5.3.1 Modellansatz 48 5.3.2 Modellsynthese 50 5.4 Modellimplementierung 53 5.4.1 Herstellung des Strömungskörpers 53 5.4.2 Simulation der Fortbewegung im Wasser 54 5.5 Modellanwendung 57 5.6 Modellüberprüfung 60 5.6.1 Abgleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und dem theoretischen Modell 60 5.6.2 Vergleich mit dem Original 62 5.7 Fazit 67 6 Fallbeispiel Laufschuh – Stoßabsorption 69 6.1 Vorbemerkungen 69 6.2 Aufgabenanalyse 69 6.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 69 6.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 71 6.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 71 6.2.4 Definition des Originals 72 6.3 Modellformulierung 72 6.3.1 Modellansatz 72 6.3.2 Systemanalyse 72 6.3.3 Modellsynthese 77 6.4 Modellimplementierung 78 6.4.1 Krafterzeugung 78 6.4.2 Kraftübertragung 79 6.5 Modellanwendung 81 6.6 Modellüberprüfung 82 6.6.1 Soll-Istwert-Vergleich 82 6.6.2 Reliabilität 83 6.6.3 Korrelation zu Stoßbelastungsvariablen 85 6.6.4 Ereignisvaliditätstest: Sohlentemperatur 86 6.6.5 Ereignisvaliditätstest: Sohlendeformation 88 6.7 Fazit 91 7 Fallbeispiel Fußballschuh – Traktionseigenschaften 94 7.1 Vorbemerkungen 94 7.2 Aufgabenanalyse 94 7.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 94 7.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 95 7.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 96 7.2.4 Definition des Originals 97 7.3 Modellformulierung 98 7.3.1 Modellansatz 98 7.3.2 Systemanalyse 98 7.3.3 Modellsynthese 106 7.4 Modellimplementierung 107 7.5 Modellanwendung 110 7.6 Modellüberprüfung 114 7.6.1 Reliabilität 114 7.6.2 Sensitivitätsanalyse: Normalkraft 114 7.6.3 Sensitivitätsanalyse: Kraftanstieg horizontal 116 7.6.4 Vergleich mit der Realität 116 7.7 Fazit 117 8 Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt 119 8.1 Schematische Darstellung 119 8.2 Erläuterung der Vorgehensempfehlung 120 8.2.1 Klärung der Problemstellung 120 8.2.2 Modellbildung 122 8.2.3 Modellanwendung 124 9 Schlussbetrachtung 126 Literaturverzeichnis 128 Tabellenverzeichnis 133 Abbildungsverzeichnis 135 Danksagung 138 Selbstständigkeitserklärung 139 Lebenslauf 140 / In this dissertation a methodology is conceived that aims to structure the development process of test arrangements that mechanically simulate the interaction of athlete, sports equipment and environment. Mechanical simulation in this context is defined as the physical replication of specific properties of the athlete (e.g. the shape of the human body, body weight, joint kinematics, inertia, external forces in specific movements) in order to conduct experiments to investigate the dynamic behavior of the system athlete-equipment-environment. Therefore, three case studies of mechanical simulation models that have been developed at Technische Universität Chemnitz are analyzed by applying the validation and verification methods “structured walkthrough”, “face validity” and “desk checking”. The results of that analysis are embedded into a framework that is derived by literature review on applied model theory. For each of the three development processes the procedure model is identified and main tools and methods are discussed. Every case study is finally assessed by using standardized evaluation criterions. Finally, the main findings of the analysis of the case studies as well as knowledge obtained by reviewing the state of the art in model theory and simulation methods are used to build up a structured and commentated guideline.:1 Einleitung 8 1.1 Definitionen 8 1.2 Einsatzgebiete der mechanischen Simulation 11 1.2.1 Überblick 11 1.2.2 Sicherheit gegen Versagen 12 1.2.3 Konformität 14 1.2.4 Funktionalität 15 1.3 Motivation und Zielsetzung 16 1.4 Aufbau der Arbeit 16 2 Theoretische Grundlagen 18 2.1 Experimentelle Methoden der Sportgeräteentwicklung 18 2.1.1 Einordnung nach Odenwald (2006) 18 2.1.2 Einordnung nach Witte (2013) 19 2.1.3 Einordnung nach Senner (2001) 20 2.1.4 Eigene Systematisierung 23 2.2 Allgemeine Modelltheorie 26 2.3 Existierende Ansätze für die Applikation der Allgemeinen Modelltheorie 29 2.3.1 Anwendung der AMT in der Chemie 29 2.3.2 Anwendung der AMT in der Biomechanik 30 2.3.3 Anwendung der AMT in Logistik und Produktion 32 2.3.4 Fazit 37 3 Präzisierung der Problemstellung 38 4 Methodik 39 5 Fallbeispiel Schwimmanzug – Strömungswiderstand 41 5.1 Vorbemerkungen 41 5.2 Aufgabenanalyse 42 5.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität des Sportgeräts 42 5.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 42 5.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 43 5.2.4 Identifikation des Originals 47 5.3 Modellformulierung 48 5.3.1 Modellansatz 48 5.3.2 Modellsynthese 50 5.4 Modellimplementierung 53 5.4.1 Herstellung des Strömungskörpers 53 5.4.2 Simulation der Fortbewegung im Wasser 54 5.5 Modellanwendung 57 5.6 Modellüberprüfung 60 5.6.1 Abgleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und dem theoretischen Modell 60 5.6.2 Vergleich mit dem Original 62 5.7 Fazit 67 6 Fallbeispiel Laufschuh – Stoßabsorption 69 6.1 Vorbemerkungen 69 6.2 Aufgabenanalyse 69 6.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 69 6.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 71 6.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 71 6.2.4 Definition des Originals 72 6.3 Modellformulierung 72 6.3.1 Modellansatz 72 6.3.2 Systemanalyse 72 6.3.3 Modellsynthese 77 6.4 Modellimplementierung 78 6.4.1 Krafterzeugung 78 6.4.2 Kraftübertragung 79 6.5 Modellanwendung 81 6.6 Modellüberprüfung 82 6.6.1 Soll-Istwert-Vergleich 82 6.6.2 Reliabilität 83 6.6.3 Korrelation zu Stoßbelastungsvariablen 85 6.6.4 Ereignisvaliditätstest: Sohlentemperatur 86 6.6.5 Ereignisvaliditätstest: Sohlendeformation 88 6.7 Fazit 91 7 Fallbeispiel Fußballschuh – Traktionseigenschaften 94 7.1 Vorbemerkungen 94 7.2 Aufgabenanalyse 94 7.2.1 Definition der zu untersuchenden Funktionalität 94 7.2.2 Analyse der zugrundeliegenden technischen Funktion des Sportgeräts 95 7.2.3 Analyse der Simulationswürdigkeit 96 7.2.4 Definition des Originals 97 7.3 Modellformulierung 98 7.3.1 Modellansatz 98 7.3.2 Systemanalyse 98 7.3.3 Modellsynthese 106 7.4 Modellimplementierung 107 7.5 Modellanwendung 110 7.6 Modellüberprüfung 114 7.6.1 Reliabilität 114 7.6.2 Sensitivitätsanalyse: Normalkraft 114 7.6.3 Sensitivitätsanalyse: Kraftanstieg horizontal 116 7.6.4 Vergleich mit der Realität 116 7.7 Fazit 117 8 Methodik zur Entwicklung mechanischer Simulationen der Interaktion Sportler-Sportgerät-Umwelt 119 8.1 Schematische Darstellung 119 8.2 Erläuterung der Vorgehensempfehlung 120 8.2.1 Klärung der Problemstellung 120 8.2.2 Modellbildung 122 8.2.3 Modellanwendung 124 9 Schlussbetrachtung 126 Literaturverzeichnis 128 Tabellenverzeichnis 133 Abbildungsverzeichnis 135 Danksagung 138 Selbstständigkeitserklärung 139 Lebenslauf 140