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

Influence des paramètres architecturaux sur le comportement mécanique de l'os trabéculaire

This thesis proposes to identify the mechanical behaviour of trabecular bone, by taking into account the architectural heterogeneities related to the inter and intra-individual variabilities, in order to improve the injuries prediction by the virtual models of human bodies. After scanning all the samples with micro computed tomography (µCT), quasi-static compres-sion tests have been performed. The inter and intra-individual variabilities effects have been studied in order to reduce the usually dispersions, observed on the mechanical responses. Relations between the main mechanical properties have been identified at the mesoscopic scale. A numerical study is then conducted using the data from µCT, in order to identify the principal architectural properties of the trabecular bone. Significant correlations have been identified. Finite Element models have also been developed from these data, in order to control the inter and intra-individual variabilities. The experimental and numerical results previously obtained have been compared in order to characterise the architectural effects on the mechanical response of trabecular bone. The deformation have been studied in order to improve our knowledge of the trabecular bone behaviour. A Representative Volume Element (RVE) has also been identified, which confirms the previous experimental study. Finally, an original relationship has been identified, which explains the inter and intra-individualities apparent modulus variations.Afin d'améliorer la prédiction des lésions par les modèles virtuels de l'être humain, cette thèse propose d'étudier le comportement mécanique de l'os trabéculaire, en prenant en compte les hétérogénéités architecturales liées aux variabilités inter et intra-individuelles. Après acquisition par micro-tomographie (µCT) d'échantillons d'os trabéculaire, des essais mécaniques de compression en quasi-statique et en grandes déformations ont été menés. L'influence des variabilités inter et intra-individuelles a été étudiée afin de minimiser les dispersions usuellement rencontrées sur les réponses mécaniques. Des relations entre les principales propriétés mécaniques ont ainsi été identifiées à l'échelle mésoscopique. Une étude numérique, réalisée à partir des données tomographiques, a ensuite été menée afin de déterminer les principales propriétés architecturales des échantillons. Des relations significatives ont ainsi pu être déterminées. Des modèles Éléments Finis ont également été développés afin de contrôler rigoureusement les variabilités inter et intra-individuelles. Les résultats numériques et expérimentaux ainsi obtenus ont été confrontés, afin de caractéri-ser les effets architecturaux sur la réponse en compression de l'os trabéculaire. La cinématique de déformation a été étudiée afin d'améliorer notre compréhension du comportement de l'os trabéculaire. Un Volume Elémentaire Représentatif (VER) a également été identifié, validant l'étude expérimentale précédemment menée. Finalement, une relation originale a été mise en évidence, justifiant des varia-tions de modules apparents inter et intra-individuelles

Influence des paramètres architecturaux sur le comportement mécanique de l'os trabéculaire

Afin d améliorer la prédiction des lésions par les modèles virtuels de l être humain, cette thèse propose d étudier le comportement mécanique de l os trabéculaire, en prenant en compte les hétéro-généités architecturales liées aux variabilités inter et intra-individuelles. Après acquisition par micro-tomographie ( CT) d échantillons d os trabéculaire, des essais mécaniques de compression en quasi-statique et en grandes déformations ont été menés. L influence des variabilités inter et intra-individuelles a été étudiée afin de minimiser les dispersions usuellement rencontrées sur les réponses mécaniques. Des relations entre les principales propriétés mécaniques ont ainsi été identifiées à l échelle mésoscopique. Une étude numérique, réalisée à partir des données tomographiques, a ensuite été menée afin de déterminer les principales propriétés architecturales des échantillons. Des relations significa-tives ont ainsi pu être déterminées. Des modèles Éléments Finis ont également été développés afin de contrôler rigoureusement les variabilités inter et intra-individuelles. Les résultats numériques et expérimentaux ainsi obtenus ont été confrontés, afin de caractéri-ser les effets architecturaux sur la réponse en compression de l os trabéculaire. La cinématique de déformation a été étudiée afin d améliorer notre compréhension du comportement de l os trabéculaire. Un Volume Elémentaire Représentatif (VER) a également été identifié, validant l étude expérimentale précédemment menée. Finalement, une relation originale a été mise en évidence, justifiant des varia-tions de modules apparents inter et intra-individuelles.This thesis proposes to identify the mechanical behaviour of trabecular bone, by taking into account the architectural heterogeneities related to the inter and intra-individual variabilities, in order to improve the injuries prediction by the virtual models of human bodies. After scanning all the samples with micro-tomography technique ( CT), quasi-static compres-sion tests have been realised. The inter and intra-individual variabilities effects have been studied in order to reduce the usually dispersions, observed on the mechanical responses. Relations between the main mechanical properties have been identified at the mesoscopic scale.A numerical study is then conducted using the data from CT, in order to identify the principal architectural properties of the trabecular bone. Significant correlations have been identified. Finite Element models have also been developed from these data, in order to control the inter and intra-individual variabilities. The experimental and numerical results previously obtained have been compared in order to characterise the architectural effects on the mechanical response of trabecular bone. The deformation have been studied in order to improve our knowledge of the trabecular bone behaviour. A Representa-tive Volume Element (RVE) has also been identified, which confirms the previous experimental study. Finally, an original relationship has been identified, which explains the inter and intra-individualities apparent modulus variations.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Influence de l'architecture cellulaire de l'os spongieux sur sa réponse mécanique

International audiencePour optimiser la sécurité des usagers de la route, les constructeurs automobiles ont de plus en plus souvent recours à des modèles virtuels de l'être humain. Afin d'améliorer la fiabilité de ces modèles, nous nous proposons d'identifier le comportement mécanique des tissus osseux, et plus particulièrement de l'os trabéculaire. Une étude expérimentale couplée à des modèles numériques reprenant l'architecture exacte de cet os a été menée afin de minimiser les effets des variabilités géométriques et biologiques, et de caractériser son comportement mécanique

Influence de l’architecture cellulaire de l’os spongieux sur sa réponse mécanique

Afin d’optimiser la sécurité des usagers de la route, les constructeurs automobiles ont de plus en plus recours à des modèles virtuels de l’être humain. Pour accroître la bio-fidélité de ces modèles, nous nous proposons d’identifier le comportement mécanique des tissus osseux, et plus particulièrement celui de l’os trabéculaire. Après acquisition par micro-tomographie de l’architecture d’échantillons d’os spongieux, des essais mécaniques de compression sont menés. L’influence des variabilités inter et intra-individuelles est étudiée afin de minimiser la dispersion des résultats. Des modèles numériques obtenus à partir des données micro-tomographiques sont ensuite générés afin d’étudier l’influence des principales propriétés architecturales sur le comportement mécanique du tissu trabéculaire. Les résultats expérimentaux et numériques obtenus mettent en évidence la nécessité de prendre en compte l’effet des variabilités inter et intra-individuelles afin d’identifier précisement le comportement mécanique de l’os trabéculaire. Si la densité relative apparait comme un paramètre prépondérant justifiant des variations mécaniques constatées, elle ne permet pas d’expliquer les différences de comportement observées selon la direction de chargement

Multiscale finite element modelling of ductile damage behaviour of the human femur under dynamic loading

International audienceIn this paper, we propose a new multiscale finite element methodology based on a recently developed micromechanical damage model for the modelling of the human bone behaviour under dynamic loading. The damage is carried out by the framework of the limit analysis based on the MCK (Monchiet, Charkaluk and Kondo) criterion. We first present the methodology allowing the estimation of elastic anisotropic properties of porous media by means of Mori-Tanaka homogenisation scheme. Then, we develop the formulation of the integrated yield criterion derived by considering trial velocity field inspired from the Eshelby inhomogeneous inclusion solution. The obtained micromechanical model is implemented via a User Material routine within the explicit dynamic code LS-DYNA (c). The proposed micromechanical model has been applied successfully for the estimation of the mechanical properties of a human proximal femur under dynamic loading. From the obtained numerical results, it has been shown that the present model has improved the strength prediction of osteoporotic femurs by representing the failure risk in a more realistic approach

Comportement mécanique de l’os trabéculaire : couplage expérimentation-simulation numérique.

Les modèles virtuels de l’être humain sont de plus en plus utilisés par les constructeurs automobiles pour optimiser la sécurité des véhicules. Afin d’améliorer la fiabilité de ces modèles, nous nous proposons d’identifier le comportement mécanique des tissus osseux, et particulièrement de l’os trabéculaire. Une étude expérimentale couplée à des simulations numériques prenant en compte l’architecture exacte de l’os a été menée afin de minimiser les variabilités géométriques et biologiques