Tableau 1 : Légende de la Figure 7.________________________________________________________________ 18 Tableau 2 : Propriétés physiques (sélectionnées par Nigg et Herzog [NIG95] - p°62 - )._______________________ 21 Tableau 3 : Tableau de présentation de l’accidentologie. _______________________________________________ 23 Tableau 4 : Décryptage du code AIS. _______________________________________________________________ 26 Tableau 5 : Territoires du code AIS. _______________________________________________________________ 26 Tableau 6 : Echelle de gravité du code AIS.__________________________________________________________ 26 Tableau 7 : Description d’AIS thorax. ______________________________________________________________ 27 Tableau 8 : Déflection thoracique d’HIII, deux essais par système de retenue [PET02]. _______________________ 32 Tableau 9 : Propriétés mécaniques de différents types d’ostéons [NIG95] (p° 65). ___________________________ 35 Tableau 10 : Evolution des propriétés mécaniques dans le temps selon Mc Colden (1993) [NIG95] (p° 75). _______ 37 Tableau 11 : Arcs testés, niveaux et longueurs prélevés. ________________________________________________ 39 Tableau 12 : Paramètres conditions d’essai et chargement. _____________________________________________ 41 Tableau 13 : Dimensions, surfaces et inertie de sections de côtes :________________________________________ 43 Tableau 14 : Rayon de courbure, en mm, [KAL79] et [KAL00]. __________________________________________ 45 Tableau 15 : Mesures de minéralisation. ____________________________________________________________ 46 Tableau 16 : Caractéristiques mécaniques à partir des essais de flexion trois points. _________________________ 48 Tableau 17 : Contraintes maximums, en MPA, pour Kallieris en 1979 [KAL79] _____________________________ 50 Tableau 18 : Contenu minérale de la côte et corticale de la côte en mg.g-1. _________________________________ 51
Tableau 19 : Corrélations avec un paramètre mécanique [GOT75]._______________________________________ 52 Tableau 20 : Différences entre 2 et 4 m.s-1. __________________________________________________________ 54
Tableau 21 : Résultats en compression. _____________________________________________________________ 55 Tableau 22 : Valeurs de Rumelhart & coll [RUM88]. _________________________________________________ 58 Tableau 23 : Caractéristiques mécaniques du cartilage costal, [KAL00]. __________________________________ 60 Tableau 24 : Flexion trois points de la clavicule en statique [KAL00]._____________________________________ 60 Tableau 25 : Flexion trois points de la clavicule en dynamique [KAL00]. __________________________________ 60 Tableau 26 : Tableau des essais côtes.______________________________________________________________ 62 Tableau 27 : Tableau des modélisations des cages thoraciques. __________________________________________ 67 Tableau 28 : Systèmes de retenue et sujets. __________________________________________________________ 77 Tableau 29 : Ordres de grandeurs pour les deux essais. ________________________________________________ 79 Tableau 30 : Les déformations maxima, calcul avec Humos©.____________________________________________ 81
Tableau 31 : Déformations maxima, placement estimé des jauges, calcul Humos©. ___________________________ 81
Tableau 32 : Légende de la Figure 35.______________________________________________________________ 85 Tableau 33 : Inerties comparées des trois modèles (ensemble des sujets). __________________________________ 88 Tableau 34 : Vitesse du plongeur pour un déplacement de 4mm. _________________________________________ 92 Tableau 35 : Comparaison de modèles par la durée et les vitesses. _______________________________________ 92 Tableau 36 : Tableau des énergies. ________________________________________________________________ 93 Tableau 37 : Comparaison des plongeurs, paramètres déformations. ______________________________________ 94 Tableau 38 : Comparaison des plongeurs, paramètre énergie (mJ). _______________________________________ 95 Tableau 39 : Caractéristiques mécaniques des côtes des essais préliminaires en flexion._______________________ 98
Tableau 40 : Déformations maxi des jauges. _________________________________________________________ 99 Tableau 41 : Ordre d’apparition des maxima. ________________________________________________________ 99 Tableau 42 : Résultats compression des essais préliminaires. ___________________________________________ 101 Tableau 43 : Données des pièces anatomiques. ______________________________________________________ 105 Tableau 44 : Ages moyens des thorax par protocole.__________________________________________________ 105 Tableau 45 : Ordre des étapes de protocoles statiques et dynamiques ____________________________________ 106 Tableau 46 : Caractéristiques des jauges de déformation.______________________________________________ 108 Tableau 47 : Description de l’emplacement des jauges. _______________________________________________ 109 Tableau 48 : Nomenclature de la Figure 62. ________________________________________________________ 111 Tableau 49 : Vitesse par niveau de côte. ___________________________________________________________ 113 Tableau 50 : Type d’impacteur par côte. ___________________________________________________________ 113 Tableau 51 : Répartition des éléments de côte par parties. _____________________________________________ 117 Tableau 52 : Longueurs des côtes. ________________________________________________________________ 122 Tableau 53 : Hauteurs et largeurs des sections de côte aux appuis. ______________________________________ 123 Tableau 54 : Valeurs des efforts maxi (N). __________________________________________________________ 125 Tableau 55 : Valeurs des déplacements à l’effort maxi (mm) : __________________________________________ 125 Tableau 56 : Valeurs des raideurs (N.mm-1). ________________________________________________________ 126
Tableau 57 : Déformations maxima, triées croissante par ordre d’apparition.______________________________ 130 Tableau 58 : Jauges triées par valeur décroissante absolue des déformations maxima. _______________________ 130 Tableau 59 : Micro-déformations maxima sur la corticale externe ; -/+ 15 mm du centre de l’appui. ____________ 131 Tableau 60 : Epaisseur moyenne de corticale, protocole statique. _______________________________________ 132 Tableau 61 : Calculs des valeurs géométriques et modules d’élasticités. __________________________________ 133 Tableau 62 : Valeurs géométriques et module d’Young, protocole dynamique. _____________________________ 134 Tableau 63 : Energie de flexion à l’effort maxi.______________________________________________________ 135 Tableau 64 : Energie de flexion à l’effort maxi, protocole dynamique. ____________________________________ 136 Tableau 65 : Classes et valeurs pour l’étude statistique. _______________________________________________ 137 Tableau 66 : Valeurs des densités minérales osseuses. ________________________________________________ 138 Tableau 67 : Graphes effort-déplacement pour chaque côte, essais et simulations ; impacteur cylindre.__________ 152 Tableau 68 : Comparaisons des raideurs, essais et simulations, en N.mm-1, impacteur cylindre.________________ 153
Tableau 69 : Ecart entre les modules d’Young essai et simulation, impacteur cylindre. _______________________ 154 Tableau 70 : Inertie équivalente pour l’impacteur cylindre et comparaison avec l’imagerie.___________________ 154 Tableau 71 : Comparaison des raideurs, essais et simulations, en N.mm-1, impacteur ceinture. ________________ 155 Tableau 72 : Ecart entre les modules d’Young essais et simulations, impacteur ceinture. _____________________ 155 Tableau 73 : Inertie équivalente pour l’impacteur ceinture et comparaison avec l’imagerie.___________________ 156
LBM – ENSAM Paris CNRS UMR 8005 / LAB GIE PSA Peugeot-Citroën Renault Stéphane DIET
RESUME
La mise en évidence d’une divergence entre l’accidentologie et les crashs tests demande de revisiter les critères de tolérance thoracique. En parallèle, l’émergence des mannequins numériques de crash permet d’appréhender des lésions particulières ; ce que ne permet pas le mannequin physique Hybrid III. Parmi ces lésions, il y a la fracture de côte. Dans ce contexte, ce travail s’est centré sur la réalisation et la validation d’un modèle numérique lésionnel personnalisé des côtes en choc automobile. Se référant à la bibliographie, il a été choisi de faire des essais de flexion trois points, en incluant des mesures de déformations par jauges et un suivi cinématique par vidéo. Les conditions d’essais ont été définies à partir de plusieurs modèles : système masse-ressort ; RDM ; calculs en éléments finis ; et des mesures réalisées sur SHPM. En amont des essais, chaque côte a été scannée pour étudier la géométrie et pouvoir générer son maillage personnalisé en éléments finis. Les essais statiques, utilisant les côtes 6, 8 et 10, montrent un effort maxi croissant des côtes 6 vers 10 et un déplacement à l’effort maxi nettement supérieur pour la côte 10. Les essais dynamiques, avec une vitesse par niveau de côte et un impacteur différent par côté (impacteurs cylindrique et type ceinture) donnent une influence très nette de la vitesse ainsi que de la géométrie de l’impacteur. Il existe une vitesse optimum concernant cet essai, en terme d’effort maxi, comprise entre 0,10 et 0,25 m.sP
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. Alors que la ruine de la côte a lieu pour un même déplacement, l’impacteur ceinture permet de supporter un effort maximum supérieur de 30% ; ce qui est cohérent avec les observations en accidentologie. L’étude géométrique montre que les caractéristiques de la côte évoluent avec le niveau, mais pas la concentration linéique de minéraux. Enfin, les premiers modèles numériques lésionnels personnalisés, visant dans un premier temps à reproduire les essais, valident la faisabilité de la démarche et ouvrent des perspectives de développement.
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Mots clefs :U côtes, biomécanique du choc, crash test, flexion trois points, calcination
ABSTRACT
The clear evidence of a divergence between the study of actual road accidents and crash- tests requires a revisit of thoracic injury criteria. On the other hand, the rise of new numerical dummies allows the simulation of localised injuries which could not be accomplished using physical dummies such as Hybrid III. One of the main examples of localised injuries is the rib fracture. In this context, the present work has been articulated around the development and validation of a personalised numerical model of lesions of ribs under impact. After a careful review of the pertinent literature, three-point bending tests were chosen, including measures of deformation with strain gauges and kinematic observations using video. Testing conditions were defined and validated by means of a variety of mathematical and physical models: HSPM tests, mass-spring systems, strength of materials theory and finite elements analysis. Prior to testing, each rib has been scanned to study its geometry and generate its personalised mesh in finite elements. Static tests, using ribs 6, 8 and 10, right and left, show an increasing ultimate force from rib 6 to 10 and a displacement at the ultimate force much higher for rib 10. Dynamic tests, with a different speed for each rib level and a different impactor shape (cylindrical and seat-belt like impactors) for each side, show a strong influence of speed and impactor geometry. We can point out an optimal speed, in terms of ultimate force, between 0,10 and 0,25 m.sP
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. It is also worthy of notice that when the cylindrical impactor is replaced by a seat belt impactor, while the rib reaches failure for the same displacement, it can bear a force higher by 30%. This conclusion is consistent with observations carried out in accidentology. The geometrical study shows that rib characteristics change with level, but not so the linear concentration of minerals. Finally, preliminary finite elements analyses, aiming at reproducing those tests, seem to validate the feasibility of the model, thus opening the door for new development perspectives.
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