Compréhension de l’interaction d’une onde de choc avec des
3.3. Interaction d’ondes de choc avec les modèles thoraciques simplifiés déformables réduits
3.3.2. Approche expérimentale
3.3.2.1. Introduction
Cette section décrit les structures déformables développées dans la présente étude et exposées à plusieurs ondes de choc, ainsi que leur instrumentation. En outre, elle décrit également la configuration et les scénarios réalisés.
3.3.2.2. Les structures déformables
Avec pour objectifs de comprendre l'influence du profil de pression et de la forme de la cible sur leurs chargements et leurs réponses cinématiques, trois structures différentes dont la forme se rapproche de la géométrie du thorax simplifié ont été exposés à des ondes de choc, comme illustré sur la Figure 3.21. La première structure étudiée est une version mise à l'échelle 2/3 de la membrane en « U » Canadienne, aussi appelée RIG. Les deux autres structures sont les versions déformables des structures étudiées précédemment en rigide : un pavé creux et un cylindre creux, et leur fabrication est expliquée en annexe H. Les dimensions de ces structures sont liées à la hauteur réduite du BTD (37,5cm) et au diamètre réduit du BTD (20cm). Chaque substitut de thorax simplifié est en élastomère de polyuréthane (PMC-770, cf. Annexe E). Les membranes ont une épaisseur de 13mm d'épaisseur, correspondant à l’épaisseur réduite de la membrane Canadienne et du MABIL.
Le PMC-770 est un mélange de caoutchouc en deux parties. Après leur mélange, la préparation est placée dix minutes dans un système sous vide pour éliminer un maximum de bulles créées pendant le mélange.
Le RPP est constitué d'un cadre métallique (le même que pour le pavé rigide) sur lequel quatre plaques de Plexiglas® de 7mm d'épaisseur sont vissés. Le plexiglas est choisi pour permettre le suivi vidéo de la déformation de la membrane déformable. Seule la face avant est une plaque déformable d'épaisseur 13mm, prise en sandwich par un cadre métallique de 2mm d'épaisseur afin de la maintenir comme l’illustre la Figure 3.22. La structure complète, d’une masse de 6,5kg, est vissée sur le même support cylindrique que pour les essais sur les modèles rigides.
Figure 3.21 : Illustration de la membrane en « U » (A) ; du pavé creux (B) et du cylindre creux (C). Les différents schémas illustrent les dimensions des structures et la position des capteurs. Le capteur (1) est à la fois un capteur de pression pièzo-résistif (Kulite XT 190M) et un accéléromètre piézoélectrique à charge B&K 8309.
Figure 3.22 : Illustration de la fixation de la plaque déformable sur le cadre métallique du pavé.
Le cylindre, d’une masse totale de 10,0kg, a été réalisée à l'aide d'un moule fait maison et la procédure est expliquée en annexe H. Des plaques d'acier cylindriques et une tige filetée sont utilisées pour fixer la structure avec le support et pour le fermer. Il aide également à maintenir la forme globale au repos ainsi que lors de l'interaction avec l’onde de choc. Le support du modèle est le même que pour le cylindre rigide.
Quant à la membrane RIG, comme cela est expliqué en annexe D, un moule réalisé à l’impression 3D a été utilisé pour le réaliser. Le PMC-770 a été coulé à l'intérieur de ce moule, dont les surfaces internes étaient
couvertes d'un produit facilitant le démoulage. Deux extrémités de la membrane sont prises en sandwich dans un châssis métallique. Les deux autres sont contraintes par des plaques d'acier vissées. La structure complète (masse 24,8kg) est placée sur une structure en acier et fixée sur cette dernière. Lorsque le RIG est installé sur ce support, aucun mouvement global n’est autorisé par rapport au support.
Le centre de la surface exposée de ces trois substituts est alors à 88cm du sol. Elle correspond à la hauteur réduite de la hauteur moyenne d'un sternum humain (~ 133cm). Le support de chacune de ces structures a été lesté pour empêcher tout mouvement de celui-ci.
3.3.2.3. Instrumentation
Pour les trois substituts, un capteur de pression piézo-résistif enregistre la pression réfléchie. Un transducteur Kulite XT 190M 35bar est placé au ras de la surface de chargement pour le pavé et le cylindre, la partie sensible de ce capteur étant recouverte d'une protection thermique. Les capteurs sont ensuite vissés à travers la membrane et fixés avec le PMC®-770. Pour la membrane RIG, le capteur de pression Kulite LQ080-100G est sanglé autour de la structure et la partie sensible se trouve au centre de la membrane. En outre, un accéléromètre piézoélectrique à charge (B&K 8309 pour le RPP et le cylindre ; B&K 4393V autrement) est fixé avec le PMC®-770 au centre et à l’arrière de la partie chargée pour chaque cible. Pour le pavé et le cylindre, les câbles d'instrumentation passent à l'intérieur du modèle et ressortent par un petit trou dans la partie basse de la structure.
En plus de cet instrumentation, deux sondes effilées PCB (modèle 137B24) ont été utilisées afin de mesurer la pression incidente à la même distance de la charge que les structures.
Deux caméras rapides Photron RS (couleurs) ont été installées sur le terrain expérimental. Enregistrant à 5000ips, l'une est utilisée pour visualiser l'ensemble de la scène afin de vérifier l'homogénéité et la sphéricité de la boule de feu. La seconde caméra est utilisée pour visualiser l'interaction de l'onde de choc avec la cible déformable. Les images enregistrées seront utilisées en post-traitement pour suivre le déplacement des membranes.
Comme les conditions météorologiques peuvent influer sur la propagation de l'explosion, la station météo VAISALA WXT520 a été utilisée au cours des expériences.
3.3.2.4. Scénarios étudiés
Le scénario considéré dans notre étude est la détonation d'une charge sphérique au-dessus d’un sol plat et considéré rigide. Dans cette étude, le matériau explosif utilisé est le C-4. La charge a été initiée par un détonateur introduit par le haut au centre de la charge et placée sur un tube en carton pour obtenir la hauteur de détonation HoB désirée. Pour être plus précis, la HoB décrite dans la présente étude est la distance entre le bas de la charge et le sol.
Pour le RPP et le cylindre, la zone d'intérêt du substitut est à 2m du centre de détonation, comme illustré sur la Figure 3.23A. Afin de couvrir une gamme de phénomènes physiques aussi large que possible, différentes
HoB ont été choisies. La masse de charge explosive est de 0,3kg (rayon de 3,5cm), et des HoB de 88cm, 22cm et 44cm ont été choisies de telle sorte que la structure soit respectivement dans le simple régime de chargement de simple réflexion, le régime de Mach, et le régime intermédiaire.
Le RIG n'a été exposé qu’à une HoB de 88cm (Figure 3.23B). Avec une distance de 1,7m d’une charge explosive de 0,18kg (rayon de charge de 3,0cm) et 0,39kg (rayon de charge 3,9cm), le substitut sera dans le régime de réflexion simple.
Figure 3.23 : (A) Protocole expérimental pour l’exposition des substituts thoraciques RPP et cylindre ; (B) Protocole pour les essais réalisés sur le RIG. Pour chaque configuration, un tube en carton sert de support à la charge explosive.
Comme résumé dans le Tableau 3.4, un total de trente-quatre expériences a été effectué avec le RPP et le cylindre, où les deux structures ont été exposées simultanément. Le nombre de répétitions pour chaque scénario était au moins dix. Pour le RIG, quatorze expériences ont été réalisées avec au moins cinq répétitions. Lorsque des problèmes surviennent lors de l'essai, comme une projection de boule de feu, une répétition supplémentaire a été effectuée.
Tableau 3.4 : Récapitulatif des scénarios testés sur chaque modèle déformable et du nombre de répétitions.
0,3kg à 22cm 0,3kg à 44cm 0,3kg à 88cm
RPP & Cylindre 10 11 13
0,18kg à 88cm 0,39kg à 88cm
Membrane en « U » 9 5 3.3.2.5. Conclusion
Quarante-huit essais expérimentaux ont été réalisés sur un total de trois substituts thoraciques dont les données de sortie sont la pression incidente et réfléchie et l’accélération du centre de la face chargée, cette
dernière mesure servant à obtenir la vitesse d’enfoncement par intégration. L’enfoncement des différentes membranes est quant à lui obtenu par suivi vidéo. Deux cents quarante profils ont ainsi été exploités et seront exposés dans la section suivante.