Modélisation multi-échelle du comportement élasto-plastique de l'os trabéculaire sous sollicitations dynamiques

National audienceSee http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/59/28/08/ANNEX/r_N8CH0PLY.pd

Caractérisation du sous-marinage chez l'occupant de véhicule en choc frontal

Le sous-marinage, apparaissant lorsque la ceinture pelvienne glisse au-dessus des épines iliaques antérosupérieures (E.I.A.S.) du bassin, est la cause principale des lésions abdominales sévères. Ce phénomène, conditionné par l angle relatif entre la ceinture pelvienne et le bassin, est fortement lié à la cinématique du bassin au cours du choc. Cette dernière dépend des efforts et moments qui y sont appliqués, provenant principalement de la colonne lombaire, des hanches, du contact avec l assise du siège ainsi que de la ceinture pelvienne. L objectif est de caractériser le comportement de la population au regard du sousmarinage. Cela passe par l identification des paramètres individuels influents sur le phénomène et par l étude de leur distribution sur la population. Pour cela, neuf essais sur sujets humains post-mortem (S.H.P.M.) ont été effectués dans un environnement simplifié. Trois configurations de choc, chacune testée sur trois sujets, ont été définies. Les résultats ont ensuite servi de base pour la validation d un modèle éléments finis d être humain. Le modèle a été amélioré de façon globale vis-à-vis des corridors définis par les réponses S.H.P.M. et personnalisé au niveau de la géométrie, de la répartition des masses et du comportement de la colonne lombaire pour correspondre à chacun des neuf sujets. La personnalisation de ces paramètres a permis de reproduire les comportements observés en essais. Enfin, le modèle a été utilisé dans une étude numérique pour approfondir la compréhension de la cinématique du bassin, d une part, et identifier les paramètres individuels influençant le sous-marinage, d autre part. La répartition des masses, la raideur de la colonne lombaire et l orientation initiale du bassin influencent l apparition du sous-marinage. L ouverture des ailes iliaques, la position des E.I.A.S par rapport au point H, la profondeur de l échancrure iliaque et l épaisseur des tissus entre le bassin et la ceinture jouent aussi un rôle.Submarining occurs in frontal crashes when the lap belt slides over the anterior superior iliac spine (ASIS) and is the principal cause of AIS 3+ abdominal injuries. Submarining is the consequence of the pelvis kinematics relative to the lap belt, driven by the equilibrium of forces and moments applied to the pelvis. The four main components playing a role in the pelvis kinematics are the lumbar spine, the hips, the seat pan and the lap belt. The purpose is to characterize the population behavior regarding submarining. This requires to identify individual parameters having an effect on submarining and to examine their distribution among the population. A nine post-mortem human subject (PMHS) sled test campaign was carried out on a simplified environment. Three test configurations were defined. Each configuration was realized on three PMHS. The test results were used as reference data for a human finite element model validation. The model was improved to better fit the PMHS corridor responses and then personalized regarding the geometry, the mass distribution and the lumbar spine behavior to obtain nine models matching each PMHS. The personalized models responses were consistent with the PMHS ones. Finally, the human model was used in a numerical study. The numerical study was aimed at deepen the understanding of the pelvis kinematics on the one hand, and investigate the influence of several individual parameters on submarining on the other hand. The mass distribution, the lumbar spine stiffness and the initial pelvis orientation have revealed an influence on the submarining observation. The iliac wing angle, the position of the ASIS relative to the H-point, the iliac notch depth and the thickness of the soft tissues between the pelvis and the lap belt were also identified to have an effect on submarining.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF

Comportement au choc de vehicules guides. Contribution a la validation de modeles numeriques par confrontation avec des resultats experimentaux

SIGLEINIST T 72091;Non accessible / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Contribution méthodologique à la thanatomécanique et à la thanatométrologie

L expérimentation sur cadavre accompagne les recherches en biomécanique des chocs depuis les années 70. Ce travail s inscrit dans la continuité de ces travaux avec, pour objectifs : - Conservation et conditionnement des corps. L objectif est d une part, de mettre en place des techniques de conservation afin de limiter la dégradation des tissus (traitement antibiotique), d autre part de reconditionner les sujets afin d améliorer l anatomofidélité et la biofidélité. - Instrumentation des corps. Les techniques, soit au travers d avancées, soit au travers de développements originaux, permettent d acquérir des mesures aussi fiables que possible pendant les essais sur cadavre. - Autopsie biomécanique. Historiquement prise en charge par des médecins légistes, l autopsie a besoin de s adapter à la biomécanique des chocs. Sa systématisation a pour but de coller aux conditions expérimentales. Les résultats permettent de dégager une vision d ensemble du champ d activité.Cadaver experiments underlay research in impact biomechanics since the Seventies. This work was performed as a contribution to this field for the following topics : - Bodies preservation and conditioning. The objective is, on one hand to propose preservation techniques in order to limit the tissue degradation (e.g. antibiotic injection), on the other hand to recondition the subjects in order to correct some post-mortem phenomena resulting in a lack of anatomofidelity. - Bodies instrumentation. Techniques, either through improvements, or through original developments, allow acquiring internal and external measurements as reliable as possible during cadaver tests. - Biomechanical autopsy. Historically performed by pathologists, the autopsy needs, today, to be specifically adapted to impact biomechanics. Its systematization and its logic intend to fit to the experimental conditions (Indian ink injection, instrumentation, measurement, loading types). Results obtained through this approach allow proposing an overview of cadaver experiments.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

CONTRIBUTION AU DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL DE SIMULATION PREDICTIF DES LESIONS CRANIO-ENCEPHALIQUES PAR RECONSTRUCTION D'ACCIDENTS DE LA CIRCULATION

VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Formalisation d'actes chirurgicaux de la correction du rachis scoliotique (application à leur modélisation mécanique par approche multi-corps)

Le but de cette thèse est d'identifier et de formaliser les informations sur la chirurgie de la scoliose par des techniques d'expertise utilisées en intelligence artificielle, avec l'ambition de formuler mécaniquement les actes chirurgicaux identifiés à partir des données recueillies. La première phase consiste à établir un protocole basé sur le dialogue et l'observation directe, permettant d'extraire les connaissances liées au savoir-faire du chirurgien. La deuxième phase est relative à l'analyse et l'interprétation des informations dans un langage mécanique universel : c'est l'étape de formalisation. La structuration des données fait ressortir les " règles personnalisées au savoir-faire " du chirurgien. Ces nouveaux critères de modélisation conduisent à la formulation et au codage des actes chirurgicaux identifiés. L'application à la simulation complète d'un cas clinique démontre l'intérêt de cette approche originale et permet de créer un réel banc d'essai numérique.The aim of this thesis is to get new information of surgical procedure with techniques used in Artificial Intelligence, with the ambition to identify surgical acts through mechanical formulations. This method underlines the need of personalized know-how formalization. This technique is applied into two steps : knowledge extraction and knowledge representation. It includes intense interviews with expert, and direct observation of expert during his work applications. The knowledge extraction data are subjectively and objectively formalised. With this data, the formulation and codification of mechanical variables are realised. The formulation was tested with a multi-body approach and permits to simulate the surgical procedure of a clinical case operated by the expert surgeon. The global simulation has been validated by the surgeon. The evaluation of this work permits to define this model as a real numerical testing bench.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Contribution au développement d'un élément de type coque fragilisée pour la prise en compte des phénomènes de fragilisation structurale liés aux techniques de rivetage

Dans le cadre de la conception des structures aéronautiques, le comportement au crash doit être considéré. Les études empiriques ont montré que l'amélioration de la sécurité des passagers était liée, d'une part, à la diminution des niveaux d'accélération transmis aux passagers, et d'autre part, à la préservation de l'intégrité de la cellule. Il est possible d'utiliser des outils de calcul pour améliorer ces paramètres. Ces derniers offrent de nombreux avantages dont la possibilité de procéder à des simulations paramétriques. Néanmoins, ces outils possèdent des limites liées à la taille de maille élémentaire. La puissance des outils numériques ne permettant pas encore de raffiner la taille des éléments pour représenter géométriquement les rivets et les perforations, il est proposé dans cette recherche de développer un nouveau type d'élément équivalent capable de prendre en compte les effets mécaniques et géométriques liés à la présence d'une perforation dans un élément de tôle rivetée.In the field of aircraft design, one concern today the deals with improving aircraft behaviour during possible survivable crash. Empirical studies have linked passengers' safety to two major parameters which are, acceleration levels transmitted to them and the capability of preserving the integrity of the structure. A complete numerical investigation could be undertaken to improve these parameters. This solution has several advantages, one of which being the possibility to perform parametric studies at law cost. Nevertheless these tools have the own drawbacks linked to the computing times. The power of numerical tools do is not enough yet to decrease the size of element and consider the presence of holes. It is proposed in this research to develop a new concept of equivalent element in which the mechanical and geometrical influence of hole can be take into account.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Moyens d'essais et de caractérisation de lois de comportement en dynamique moyennes vitesses

La simulation des situations de crash des moyens de transport requiert la connaissance des paramètres de modèles de comportement viscoplastique. Leur identification repose sur des relations expérimentales fiables dans les domaines quasi-statique et dynamique. Pour établir un croisement des données issues de moyens d'essais non recouvrants, une méthode d'amélioration d'un montage de caractérisation d'éprouvettes plates sur vérin hydraulique rapide est proposée pour repousser la principale fréquence propre perturbatrice. Un couplage d'analyses modales expérimentale et numérique est alors mis en œuvre. L'accès à des vitesses de déformation de 300 s-1 est attendu pour les matériaux métalliques. Par ailleurs, un dispositif de traction indirecte aux barres de Hopkinson est mis en oeuvre pour atteindre une limite basse de 200 s-1. Un montage original de traction d'éprouvettes plates collées est conçu. L'ensemble des relations est finalement confronté pour des vitesses de déformation proches.Numerical simulation relative to transportation frameworks crashworthiness requires the knowledge of multiplicative work-hardening models' parameters. There identification is based on reliable experimental data from quasi-static to dynamic loadings. To verify the superposition of the experimental data extracted from no-covering devices, a method of improvement is proposed for a sheet specimens characterisation set-up using a high-speed hydraulic machine to through out the main natural frequency. An iterative experimental/numerical coupling is built. The access to plastic strain rates up to 300 s-1 becomes possible for metallic materials. In the other hand, a no-direct tensile testing device is lead using a split Hopkinson bars apparatus so as to reach a low limit closed to 200 s-1. An original tensile set-up using glued plate specimens is designed. The relations are confronted each over for the same strain rates, approximately.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Enrichissement des modèles physique et numérique de la tête en vue de mieux représenter la cinématique cérébrale lors d'un choc

Les recherches menées ont tenté de démontrer l'importance des lésions cérébrales via des tests réalisés sur des cadavres humains ou animaux. Les inconvénients de ces essais sont la lourdeur de la préparation des sujets, la non-répétitivité des essais et l'âge des cadavres. Les animaux quant à eux ont leur morphologie différente de celle de l'être humain et ils demandent encore plus d'investissement pour corréler les résultats obtenus avec la réponse humaine. Le plan expérimental présenté dans cette recherche s'articule autour du développement d'un modèle de tête 2D. Nous avons réalisé le modèle en prototypage rapide où un cerveau en gel de silicone est utilisé. Il est sollicité par un impact pendulaire et avec la vidéo rapide, nous avons obtenu la cinématique intracrânienne. Avec une description Lagrangienne, les niveaux de déformation engendrés dans le cerveau ont été calculés afin d'établir une cartographie. Ces résultats ont été utilisés pour valider des modèles EF 2D et 3D. Ces modèles ont été par la suite enrichis en modélisant les ventricules et une couche de LCR afin de quantifier leur influence sur le comportement intracérébral. Ceci a permis de réduire les déformations dans le volume intracrânien et à la surface du cerveau en y autorisant un mouvement relatif. Enfin, une méthodologie de reconstruction d'accidents moto a été développée. Une expérimentation représentative d'un accident (choc latéral moto/voiture) a été réalisée ainsi que son modèle numérique (en multicorps). Les sollicitations dynamiques obtenues à partir de la tête du mannequin ont été appliquées aux modèles EF 3D de tête afin d'étudier la cinématique intracérébral durant ce choc dynamique réelCurrent scientific research have revealed the importance of brain injuries through experimental tests performed on human cadavers and animals. The main drawbacks lie in the cumbersome preparation of the subjects, the non-repetitiveness of the tests and mainly the too old age of the donors. With animal tests, we know that their morphology is totally different to human beings and it is not that simple to correlate the obtained results to human response. The experimental protocol presented in this research work is based on the development of a 2D head model. We made a physical head model where an equivalent brain is represented (silicon gel material). The head model is impact loaded in a pure rotation movement and digital image tracking is used to identify the deformation pattern induced in the equivalent brain material. Strain calculations are then made with Lagrange description so as to measure the various deformation zones. The results are used to validate corresponding 2D and 3D FE models. These models have been improved with the representation of various sub-structures (ventricles and CSF) so as to evaluate their respective influences on brain kinematics. This has led to a considerable reduction of deformation inside the brain as well as on its surface by inducing a relative movement. Finally, we have developed a motorcycle accident reconstruction methodology. An accident reconstruction which represents a motorcycle/car lateral impact has been done as well as its corresponding multibody model validated. The applied loads obtained from the dummy's head have been applied to the 3D FE head models so as to study the resulting intra-cranial head behaviour.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Outils et environnement intégré d'aide au pré-dimensionnement au choc des véhicules de transport

L'approche globale basée sur les modèles multi-corps est un outil simplifié de dimensionnement au choc des composants structuraux à parois minces approprié en phase de pré-conception. L'utilisation de cet outil reste réservée aux spécialistes du fait des caractéristiques à introduire au niveau des ressorts non-linéaires, et du positionnement des différents joints de déformations. Les modèles cinématiques permettent d'obtenir efficacement les caractéristiques effort/déplacement et moment/angle alimentant les ressorts non-linéaires d'un modèle simplifié. Nous montrons que l'introduction des poutres élasto-plastiques dans les approches simplifiées apporte un bénéfice en terme de flexibilité structurelle et permet d'éviter les pics de verrouillage rencontrés avec les modèles corps-rigides. Les développements relatifs à un élément de localisation, couplant la phase de pre-effondrement d'une poutre élasto-plastique avec la phase de post-effondrement analytique, sont présentés et validés.The global approach based on multibody systems is a simplified tool for the dimensioning to shock of thin-walled frame components which is appropriate during the pre-design stage. This particular tool is still meant for specialists by its specific characteristics to be used for the non-linear spring elements, and also by a judicious way of positioning the deformation joints. Kinematic models allow to obtain efficiently force/displacement and moment/angle characteristics needed to implement the non-linear springs of a simplified model. We then show that the use of elastic-plastic beams in this type of simplified approach brings a new dimension in terms of structural flexibility. It also avoids locking peak problems which can be encountered in models made up of rigid bodies only. The development of a new collapse beam element which couples the integration of the classical elastic-plastic beam element pre-collapse phase with the analytic post-collapse phase, is presented and validated.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF