Mthodes ExprimentalesArts et Mtiers ParisTech

MTHODES EXPERIMENTALES2014-2015

valuation quantitative des sollicitations dans le cou selon le profil dacclration sur un banc dessai type Whiplash

Rapport-Prof. M. Sauret

BRESSEL, MiguelLABOUSSE, SimonNEVES, Antonio taloSOMMAIRE

PRLIMINAIRES

Ce projet a t ralis par les lves Simon Labousse, Antonio talo Neves et Miguel Bressel. Il a t men par Monsieur Christophe Sauret et Monsieur Baptiste Sandoz, tous les deux professeurs dans la section de Biomcanique lcole Nationale Suprieure dArts et Mtiers Paris.

ENJEUX ET STRUCTURE DU PROJETLobjectif de ce projet de Mthodes Exprimentales de monter un protocole exprimental. Notre projet sarticule autour de leffet whiplash qui . En particulier, LENSAM possde un banc dessai type whiplash .Le but de notre etude lvaluation quantitative des sollicitations dans le cou selon le profil dacclration sur un banc dessai type Whiplash. et comment peut ton monter un protocole permet devaluer ces sollicication.La connaissance de ce phnomne sarticule autour de 3 aspects qui sont la modlisation, la simulatio et lexprimentation. Cette tude sintresse aux mthodes exprimental que lon peut mettre en place afin dtudier leffet whiplash. Le projet se prsente en deux parties. Dans la premire partie du projet, on fera une brve introduction des fondements pour notre projet et on prsentera un aperu gnral du champ de recherche o on va faire nos tudes. De plus, nous dtaillerons le phenomene whiplash en suppuyant sur la literature. De nombreuses etudes dcrivent les diffrentes ractions se produisant lors dessais de choc frontaux sur un banc des dimensions similaires celui qui se trouve dans le laboratoire de Biomcanique lENSAM. Dans un deuxime temps, nous dtaillerons la dmarche pour la creation du protocole exprimental afin dtudier la rponse notre research question, cest--dire observer les sollicitations quil faut mesurer mise en jeu dans le cou du mannequin lors dun choc sous divers profils dacclration. Ainsi, cela permettra davoir des rsultats avec un niveau de confiance suffisant. Nous allons dtaille quelles sont exactement nos entres et comment nous allons accder la mesure des sorties. Nous discuterons de, estimerons la qualit et lexactitude(niveau de confiance) de ces mesuresSURTOUT , lide ici est de dvelopper une mthode qui soit capable de mesurer les efforts mis en jeu et proposer une mthode alternative celles utilise actuellement.

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Introduction leffet WhiplashNous entendons par le terme Whiplash, coup du lapin en franais, la squence flexion, hyperextension cause par une pousse involontaire de la tte et du cou dans deux directions opposes. Le whiplash est souvent considr comme une pidmie moderne. Il est communment associ aux accidents d'automobile, mais cela peut se produire dans tout type d'vnement soudain : un bras secou soudainement, un coup violent port la tte ou dautres mouvements vers larrire et vers le haut que nous allons voir dans la suite.Les muscles, les ligaments et les tendons sont alors tirs et parfois mme dchirs.En effet, suite au whiplash, les muscles entourant la colonne vertbrale se tendent pour protger le cou de toutes autres blessures supplmentaires. Ce phnomne, appel contracture douloureuse rflexe , dclenche la tension musculaire dans le cou et les paules donnant lieu des douleurs importantes. Nous allons voir aussi brivement les diffrentes types de blessures qui peuvent avoir lieu dans la zone du cou dans plusieurs situations et nous mettrons laccent concrtement sur les accidents dautomobile, o les mannequins avec lesquels on va travailler sont utiliss au jour le jour.

developper bcp plus1. Research QuestionGlobal et refined questionDe quelles faons , leffet whiplash affecte-t-elle le cou du mannequin?Notre systme est compos de deux parties : Le banc dessai complet et le mannequin tant ceux du laboratoire de linstitu georges charpak a lensam. mannequin banc dessai salle etc Le mannequin :Le systme global sur lequel nous allons travailler est un mannequin de type hybrid III, 5e percentile. detailler un peu les caractristique du mannequin mettre photo.Il existe des diffrents types de mannequins qui ont volu tout au long de lhistoire de lautomobile, en devlopant et en amliorant leurs proprits et leur capacit dobtenir des plus prcis rsultats. ne en 76Les mannequins sont des rpliques chelle relle dun tre humain et sont construits dune manire spcifique au niveau du poids et des articulations pour reprsenter le comportement du corps humain pendant la collision dun vhicule. On a la possibilit de mesurer des diffrentes variables : la vitesse de limpact, la force de compression, la torsion du corps, la dclration pendant le choc, etcetera, ce qui fait fondamental son utilisation aujourdhui dans toutes les entreprises de lautomobile. Le mannequin 5me centile correspond un corps de 50 kilogrammes et 152 centimtres

Le premier mannequin a t utilis en 1949, mais jusqu ce moment l, dautres mthodes avaient t dj essayes. Depuis le premier accident dautomobile de lhistoire, les chercheurs et les universits ont remarqu que la seule manire damliorer la scurit routire tait avec des essais rels avec des vraies voitures, mais il ny avait pas de volontaires. Des cadavres, des animaux et plus tard des volontaires humains comme le Colonel de la USAF John Paul Stapp ont t la solution ce problme jusqu le devlopement des crash test dummies. Ce type de mannequins permettent leur utilisation de manire presque indfinie grce son enorme rsistance. Par contre, son prix est trs lev cause de toute linstrumentation plac sur le mannequin (autour de 150.000 avec une instrumentation complte).??Nous allons plus prcisement nous concentrer sur la rgion cervical de la colonne vertebrale, le cou. rgions cervicales suprieures et infrieures

nous avons 1 mannequin disponible. non representatif de la population. comportement du mannequin detailler un peuMannequin avec la place ncessaire pour inclure une instrumentation (cou dgag par exemple)Contraintes de lessai : Quest- ce que cest possible de changer pour meilleure lessai ? Mannequin (Gomtrie du cou de mannequin ;Qualit du cou du mannequin ;Type de mannequin )Ce mannequin reprsente la structure du corps humain. il est plus resistance blablabla, mais plus facile de fr des test sur de smannequin que sur des humain.Le banc dessai PHOTO + descrption banc dessai

Capteurs ;(Positionnement des capteurs ;Type de capteurs ) acclromtre cas classique, nous =mthode alternative Banc dessai ;limitation des acclration(moteur), course du bancpas de perte mecanique, pas de frottement (negliger les frottement de transmission couroie), pas de vibrationsReproductibilit dessai ;combien dessai faut-il? essai cour 3 essai, moyenne des 3Faut-il envisager dutiliser dautre mannequin reprsentatif ?1 mannequin (5e percentile) hybrid III, confiance ??, besoin dautre mannequin pour reprsenter toute la populationexclusions

-->Research questionOn sintresse au meilleur moyen de mesurer les efforts localise dans le cou dun mannequin pendant un essai type whiplashNous allons valuer et quantifer les sollicitations dans le cou dun mannequin durant un essai de type whiplash.2. HypothseSYSTEM DEFINITIONDans cette section on va dfinir les limites de notre systme sur lequel nous allons travailler. Les efforts dans le cou du mannequin vont representer dans le cou humain.Notre systme global est consitu de notre banc dessaiOn va calculer les efforts sur le cou dun mannequin Hybrid III qui rpresente le corps dun tre humain. plus il y a dacceleration plus il y a deffort. Le cou est une partie de lensemble du corps humain et il va tre compos par des tendons, des muscles, des disques intervertbraux et des os. En fonction du type et de la vitesse de choc, on aura des diffrents efforts sur ces lments du cou du mannequin.

dtailler un peu le comportement, matriau etc, les liaisons en tre chauqe parties,Ce qui va nous interresser cest la longueur, la raideur, les resistances de chaque parties les tendons :les msclesles disques intervtbraux: les os :

sollicitations dans le cou dun mannequin durant un essai de type whiplash.3. Dfinition des entres et sorties du sytme

INPUTS ET OUTPUTS- Inputs : PROFIL DACCLRATION

Variables A max et t du profil dacclrationParamtre input donnes et comportement du cou hybrid 3

Model : (pour articuler le lien entre entr et sortie)la simu de italo ici

- Outputs : Sollicitations dans le cou.Inputs & Outputs:

Variables Efforts dans le cou

4. Dfinition des variables

Ce qui pourrai influencer le syst tudi, mesur?????Si le mannequin se dtache au cours du type test impossible Output variable :Interne au systme :Mannequin = comportement passifLe mannequin se casse-effort dans l e courbe,deformations du cou Externe au system : poids du mannequin Les vibrations du banc du moteur la courroie vibrations dues aux encastrements ? Placement du mannequin sur le sige ?? comment est-il attach, ceinture. Au plateau liaison encastrement du sige ?? Dossier(en dur) mannequin et ceinture comportementEffet sousmarine Resistance de la bute input variable : ce quon responsable ????interne au system Comportement du cou (materiau, rigidit, architecture)Extern au systeme Type de profil daccelration orientation du plateau Output variable selection : quelle variable est la plus adapte, possible mesurer) pour rpondre la question ??effort, les allongements du cou

5. Possibilit de mesure, prcision et influence de la prise de mesure

MEASUREMENT POSSIBILITIES : 1) CAPTEURS :

La mthode des capteurs est la plus connue actuellement dans le secteur automobile. Cest une solution utilise lors des tests sur banc mais galement pour des essais sur route ou lors des crash tests. Elle est aussi la plus prcise et une des plus chres.

Plus particulirement dans le secteur des crash tests de lautomobile, il y a des capteurs spcifiques qui permettent linstrumentation du vhicule, de la catapulte, du mur de choc, du mannequin, etc, donc on peut obtenir presque tous les rsultats quon souhaite connatre et, en consquence, mieux comprendre le comportement et les efforts qui ont lieu sur le mannequin.

Le principe des acclromtres est bas sur le principe que tous corps variant sa vitesse est soumis un effort proportionnel son acclration ou dclration. Cest cette force qui permet de dclencher tous les systmes commande mcanique. Dans les systmes commands par un module lectronique, les capteurs donnent une information lectrique.

Ils sont de 2 types :

Capteur de dclration : Le schma ci-dessous nous montre le principe de constitution du capteur pizorsistance. Sur une fine plaquette sont montes 4 pizorsistances disposes en pont de Wheastones . Celles-ci permettent denregistrer la dformation de la plaquette ; sollicite par une masse sismique sensible aux acclrations du vhicule.

Capteur de choc : Dtecteur de choc ou capteur lectromcanique ou capteur inertie. Le dtecteur de choc est le cur du dispositif. En cas de collision, la bague coulissante aimante va se dplacer au voisinage des contacts contenus dans une ampoule Reed (ILS= Interrupteur Lame Souple).

Voici dautres modles des capteurs de lentreprise Measurement Specialties:

VibrationCouple Force Position Pression

2) CAMERA ET TRAITEMENT DIMAGE mensuration de la dformation avec un quadrillage sur les images obtenues grce une camra

ALTERNATIVES : 3) ANALYSE CINMATOGRAPHIQUE Deux camras pour chaque point analys. Des cibles lumineuses fixes sur le corps. (Des infrarouges pour ne pas tre gn par la lumire ambiante). 4) RESSORT : Allongement de ressort (attach la base et au sommet du cou, autant de ressorts que lon veut de points de mesure). Problme plan normal aux efforts sur lequel se placer. 5) MOULE DFORMABLE : mensuration de profondeur de pntration de la tte dans un moule dformable fabriqu avec un matriau elasto plastique. Problme comment faire les mesures la base du cou ?

6) CONTREPOIDS

7) RESSORT LINTRIEUR DU COU

8) JAUGES DE DFORMATION 2 OPTIONS o CYLINDRE ELASTIQUE REMPLAABLEo LAME ELASTIQUE REMPLAABLEAcquisition des dformations tout au long du mouvement

dautres points a parler dans cette partie :comment la mesure affecte le comportememnt du bancest-ce que ca affecte la sortie

prcision des mesures

6. Protocole de contrle du profil dacclration

ET est-ce que cest compatible avec la sortie

7. Faisabilit

No human subject involved in the study=> OKIf we have funding to work during the required time => OK

points suivant a voir :

Le comportement tudi : les sollicitations (les efforts mis en jeu ou leffort suivant laxe longitudinal, horizontale) lors du choc dans le coutrouver les sollicication le plus simplement possible

INSTRUMENTAL ET OUTILS :

MANNEQUIN HYBRID III: Crash test dummy est le terme anglais utilis pour dfinir le mannequin qui va permettre la mesure des efforts pendant un essai de choc grce aussi linstrumental correctement plac au pralable sur sa surface.

INSTRUMENTAL DE MESURE :Un des buts de ce projet est de proposer dautres mthodes qui puissent tre considres comme une alternative celle qui est la plus utilise de nos jours, cest dire, lensemble des capteurs et des camras haute vitesse.Ensuite, dans la partie de protocole, on parlera des diffrentes possibles solutions avec leurs pours et leurs contres et de leur faisabilit et prcision de mesure. -BANC DESSAI :Les tudes et les experiments que nous allons proposer ont t conus pour tre raliss sur un banc dessai des mmes dimensions que celui qui se trouve dans le Laboratoire dEssais Dynamiques dans la section de Biomcanique lcole Nationale Suprieure dArts et Mtiers Paris.

CONCLUSIONS

BIBLIOGRAPHIE

Biomcanique du choc. Critres de blessure et tolrance humaine limpact. Tests et procdures dessais automobile (Eric Markiewicz, Juillet 2007).

Experimental Mechanics. Cancellous bone (Marianne Prot).

Biomcanique des chocs (J-Y Le Coz, T. Hermitte, M. Labrousse, X. Trosseille).

ANNEXE