Towards the prediction of thoracic injuries during blunt ballistic impacts through experimental and numerical approaches

Abstract

Depuis plusieurs décennies, l’évaluation des armes à létalité réduite (ALR) et des gilets pare-balles suscite l’intérêt majeur des forces de l’ordre autour du globe. En effet, ces armes présumées à létalité réduite ou non létales sont tenues d’occasionner uniquement une douleur suffisamment importante à un individu afin d’assurer sa neutralisation. Les gilets pare-balles, quant à eux, doivent garantir un certain niveau de protection pour réduire le risque de traumatismes lié à leur déformation dynamique. Le Centre de Recherche, d’Expertise et d’appui Logistique (CREL) du Ministère de l’Intérieur français a ainsi pour objectif le développement d’un outil de prédiction du risque lésionnel thoracique lors d’impacts balistiques non pénétrants. Cela permettrait alors d’évaluer les performances des ALR et des gilets pare-balles avant leur déploiement en théâtre d’opérations. Plus précisément, cette méthode doit uniquement être fondée sur la mesure directe du processus dynamique de déformation d’un bloc de gel synthétique soumis à un impact balistique. Pour répondre à ce besoin, l’approche numérique est considérée dans ces travaux de thèse par l’emploi du mannequin numérique du thorax humain HUByx comme un outil intermédiaire permettant la détermination de fonctions de transfert entre les mesures expérimentales sur un bloc de gel et le risque lésionnel. La reproduction de conditions d’impact réelles sur HUByx nécessite la caractérisation et la modélisation de projectiles ALR ainsi que de projectiles d’armes à feu et de gilets pare-balles. Elles reposent sur une procédure d’identification par méthode inverse appliquée à l’essai de Taylor pour la modélisation des ALR et à l’essai du cône dynamique d’enfoncement sur le bloc de gel pour celle du couple projectile/gilet pare-balles. Des travaux sont dédiés à la caractérisation mécanique et à la modélisation du gel synthétique sous sollicitations dynamiques. Enfin, une approche statistique basée sur des analyses de corrélation est introduite exploitant à la fois les mesures expérimentales, les données numériques ainsi que les rapports de cas de la littérature. Une cartographie du thorax associée au risque de fractures costales est établie et est uniquement fonction d’une mesure expérimentale.For decades, the assessment of less-lethal weapons (LLW) and bulletproof vests has generated major interest from law enforcement agencies around the world. Indeed, these presumed less-lethal or non-lethal weapons are required to cause only significant pain to an individual to ensure their neutralization. Bulletproof vests, in turn, must provide a certain level of protection to reduce the risk of trauma related to their dynamic deformation. The Center for Research, Expertise and Logistics Support (CREL) of the French Ministry of the Interior aims to develop a tool to predict thoracic injury risk during non-penetrating ballistic impacts. It would therefore be possible to evaluate the performance of LLW and bulletproof vests before their deployment in operations. More precisely, this method must only be based on the direct measurement of the dynamic process of deformation of a synthetic gel block subjected to a ballistic impact. To address that issue, the numerical approach is considered in this thesis by the use of the human thorax dummy HUByx as an intermediate tool for the determination of transfer functions between experimental metrics on a gel block and the risk of injury. The reproduction of real impact conditions on HUByx thus requires the characterization and modeling of less-lethal projectiles as well as projectiles of firearms and bulletproof vests. They rely on an inverse method identification procedure applied to the Taylor test for modeling LLW and on the analysis of blunt impacts on the gel block for projectiles/bulletproof vests. Work is then dedicated to the mechanical characterization and modeling of the synthetic gel under dynamic loadings. Finally, a statistical approach based on correlation analyses is introduced using both experimental measurements, numerical data as well as case reports from the literature. A thorax mapping associated with the risk of rib fractures is established and only depends on an experimental metric