Résultats expérimentau

Il existe de très nombreux types de capteurs de pression. Selon les technologies développées, certains capteurs permettent de réaliser des mesures de pression statique, d’autres de pression dynamique. Ils travaillent à température ambiante ou à haute température… Leurs dimensions et leur étendue de mesure sont très variables. Ils se présentent généralement sous la forme de cylindres plus ou moins aplatis.

Pour l’interaction tête-masque, la pression est indépendante du temps et le masque est porté à la température ambiante. On souhaite une véritable cartographie de champ de pression et non une information locale (ou quelques informations locales) pour corréler les essais et les simulations numériques. Il faut donc disposer d’un grand nombre de capteurs dans la bande de contact potentiel. Une autre difficulté doit être résolue quant à l’utilisation de ces capteurs car ils doivent mesurer la pression à l’interface entre le mannequin rigide de référence et l’équipement de protection sans déformer le bourrelet qui s’appuie dessus. Ces capteurs doivent également permettre de mesurer la pression entre la tête de volontaires et leur masque : ils doivent être très plats. S’ils sont maintenus en place par collage, la colle doit être tolérée par l’organisme et ils doivent ensuite pouvoir être décollés sans endommagement des tissus humains.

La technologie retenue pour les mesures de pression est celle des capteurs pelliculaires. Adaptés au besoin, ils ont été utilisés dans les références [19], [40] pour des applications similaires. Ils sont développés par la société américaine Tekscan. Il existe toute une gamme de capteurs de formes différentes selon les usages, et dont les étendues de mesures sont fonction du niveau de pression maximale à mesurer. Ils se présentent sous la forme d’une feuille d’épaisseur 0,1 mm environ, réalisée en polymère résistif dont la résistance électrique change quand une contrainte lui est appliquée. La grande souplesse de la feuille lui permet d’épouser la surface de contact même si celle-ci est gauche et non développable. Les mesures sont cependant d’autant moins précises que le capteur est froissé. Sa très faible épaisseur fait que l’interaction entre les deux parties en contact n’est pas modifiée par la présence du capteur.

Les cellules actives sont disposées matriciellement, par rangées et colonnes. Le capteur choisi est du type 5051, l’étendue de mesure est de 0 à 100 kPa (15 psi), compatible avec le niveau maximal déterminé par simulation numérique. Pour ce type de capteur, chaque cellule a une surface de l’ordre de 1 mm2. Cette disposition présente l’avantage de permettre l’obtention simultanée d’une information "locale" sur chaque cellule mais aussi d’une information globale. Le capteur d’usage général présenté sur la Figure III.14 comporte environ 1500 cellules. La feuille résistive peut être collée sur l’une ou l’autre des deux surfaces en contact, mais aussi tout simplement posée à l’interface : elle reste en équilibre dès lors que le contact est établi (Figure III.15). Le problème de compatibilité entre la colle ou l’adhésif et la peau ne se pose donc pas lors de mesures sur les volontaires. Le capteur est récupérable après une acquisition et en le déplaçant, on peut réaliser, de proche en proche, des mesures sur toute la périphérie de la bande de contact.

La pression de contact est accessible sous deux formes : un fichier au format Excel ou une image. La pression mesurée dans chaque cellule est convertie en entier compris entre 0 et 100, donnant ainsi un pourcentage de l’étendue de mesure (100 kPa pour le type 5051). L’entier associé à la cellule est donc dans notre cas la pression mesurée en

à l’organisation matricielle des cellules et permettant une analyse directe de ce fichier. La Figure III.16 donne un exemple partiel de tableau obtenu lors de mesures sur le front, zone de pression maximale sur le mannequin équipé du masque. Il est intéressant de constater qu’expérimentalement, la pression peut être très différente sur deux cellules voisines, en l’occurrence 66 et 4 kPa. La pression mesurée est une information moyenne sur la surface de la cellule, la pression "physique" étant une fonction continue des variables spatiales. Nous réalisons le lien avec l’interprétation et le lissage des pressions de contact calculées aux nœuds du modèle éléments finis et post traitées à l’issue de la simulation numérique. La détermination de la pression se pose en des termes identiques après la mesure in-situ par ces capteurs pelliculaires.

Figure III.14 : Exemple de capteur de pression pelliculaire (recto et verso)

Figure III.15 : Différentes phases de mesure sur mannequin avec le capteur de pression pelliculaire, le front à gauche, la joue à droite

L’information à disposition dans une cellule est la pression qui y règne. C’est un scalaire qui représente la pression moyenne dans la cellule. Le traitement graphique des valeurs mesurées dans chaque cellule peut conduire à deux types d’images : chaque cellule peut être coloriée selon la valeur de sa pression (patchwork de couleurs), ou un lissage peut être réalisé à partir des valeurs mesurées dans des cellules adjacentes. Ces "post-traitements" sont analogues à ceux réalisés pour le champ de contrainte après une analyse par éléments finis dont le principe est rappelé en Annexe 3. La pression de contact calculée par le programme d’éléments finis est évaluée aux nœuds esclaves du maillage à partir des efforts de contact en ces nœuds et elle correspond de ce fait à une information "ponctuelle". La surface d’une cellule et le nœud du maillage sur lequel est évaluée la pression ne sont pas des grandeurs directement comparables. Ce sont les

qu’il faut comparer car il faut revenir à des surfaces du même ordre de grandeur. 21 30 17 13 6 29 26 8 17 16 25 2 6 0 9 11 3 0 6 3 7 10 3 5 11 4 34 20 4 4 21 53 66 11 20 41 8 20 36 2 11 3 22 10 0 8 5 1 2 2 28 4 0 4 4 9 0 0 0 5

Figure III.16 : Exemple de tableau de valeurs obtenu sur le front, pression dans chaque cellule en % de l’étendue de mesure du capteur (ici, 100 kPa)

Pour se placer dans des conditions expérimentales proches des hypothèses de calcul, la tête est talquée pour minimiser la valeur du coefficient de frottement (ce dernier ayant été supposé nul pour toutes les simulations). Plusieurs séries de mesures sont menées sur le visage du mannequin pour vérifier le caractère répétitif des valeurs expérimentales. La Figure III.17 représente le champ de pression sur le front du mannequin, pour un réglage 4/4/8 des brins qui est le réglage standard (cf. paragraphe II.10.6). Le champ de pression est continu sur la zone de mesure ce qui démontre l’étanchéité pour ce réglage des tensions exercées par les brins. Les valeurs non nulles enregistrées en dehors de la zone de contact sont des artéfacts dus au froissement du capteur (bien apparent sur la photo de gauche de la Figure III.15). Cet effet se manifeste par les bandes de faible intensité orthogonale au pli du bourrelet (Figure III.17). Le contact est détecté sur une bande de 8 cellules en moyenne, soit une largeur d’environ 6 mm sur cette partie du visage du mannequin. La pression maximale enregistrée par une cellule est de 66 kPa, mais la valeur lissée à partir des valeurs relevées dans les cellules adjacentes n’est que de 30 kPa. La pression moyenne relevée sur la bande de contact (pour ce positionnement du capteur) est comprise entre 10 et 15 kPa. Les pics de pression relevés expérimentalement et calculés numériquement présentent la même localisation, leur amplitude "brute" ne différant que d’un facteur 2. Les mesures effectuées sur 5 zones allant du front au menton montrent que, pour un réglage de brins 4/4/8 sur le mannequin, le contact est continu sur toute la périphérie du visage. La pression maximale est localisée sous les points d’attache des brins et sur le menton qui correspond à une zone de très forte courbure et de géométrie peu "régulière" sur laquelle le capteur est inévitablement froissé. L’allure du champ de pression sur la joue est donnée sur la Figure III.18.

Comme le montre la Figure III.19, il y a une bonne corrélation entre les mesures de pression de contact sur mannequin rigide et les résultats de la simulation numérique par éléments finis, que ce soit en termes de répartition ou d’intensité de cette pression.

Contact entre le front et le masque

Froissement du capteur Zone hors contact

Froissement du capteur, hors contact Froissement du capteur, hors contact Joue

Figure III.17 : Cartographie des pressions lissées sur le front du mannequin, pression croissante du noir au gris clair, pression nulle en blanc

Figure III.18 : Cartographie des pressions lissées sur la joue du mannequin, pression croissante du noir au gris clair, pression nulle en blanc

En conclusion pour cette troisième partie, la méthodologie rationalisée développée pour la détermination de la pression de contact entre une tête rigide et un équipement de protection (génération automatique de maillage à partir de l’acquisition de la géométrie par scanner DSP) et les techniques numériques mises en place (sparse solver, algorithme de contact en grands glissements sur surfaces complexes avec lissage de la surface de projection et reprofilage) sont opérationnelles et utilisables au sens industriel. Les résultats obtenus par la simulation numérique dans le cas d’un équipement de protection de type ANP/VP sur le visage d’un mannequin ont été corrélés expérimentalement, tant en répartition de la pression de contact qu’en intensité. Il reste à prendre en compte les propriétés des tissus mous constituant la peau et appliquer la méthodologie au visage déformable d’un véritable individu.

Figure III.19 : A gauche, champ de pression calculé sur le front, de 0 (en blanc) à 30 kPa (en noir). Zoom sur la partie cerclée (à droite, en haut) et valeurs moyennes lissées