Caractérisation mécanique et modélisation du comportement jusqu'à rupture de membranes biologiques fibreuses : application à la peau humaine

= Mechanical characterization and modelling of planar and fibrous soft tissue behaviour up to failure : application to human skin

• Auteur / Autrice : Clémentine Jacquemoud
• Direction : Alain Combescure, Jean-Pierre Verriest
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Élasticité non linéaire

Peau

Résumé

Ce travail représente la caractérisation et la modélisation mécanique complète d'une membrane biologique fibreuse : la peau humaine, lorsqu'elle est soumise à des sollicitations proches du choc conduisant à sa rupture. En effet, l'étude expérimentale a permis de mettre en relation des paramètres de la micro structure fibreuse avec les propriétés mécaniques du tissu, mesurées à l'échelle macroscopique. Cette évolution conjointe des propriétés à différentes échelles, a ensuite pu être retranscrite dans une loi de comportement à deux échelles. Son implantation dans un code éléments finis apporte ainsi une description locale du comportement du tissu. Les premières applications sur la peau humaine apportent, d'un point de vue expérimental, en plus des caractéristiques mécaniques classiques jusqu'à rupture, des données non conventionnelles et plus précises, d'une part sur le comportement de ce tissu (mesure du champ de déformation, quantification de son hétérogénéité) et d'autre part sur sa micro structure (orientation privilégiée des fibres, mécanisme de rupture). Les premières simulations sur la peau humaine mettent en évidence l'importance d'inclure, dans la loi de comportement, des paramètres propres aux fibres et à leur répartition dans le tissu, afin de modéliser des phénomènes observés expérimentalement (champ de déformation hétérogène, rupture progressive du tissu). Le protocole expérimental ainsi que le modèle de comportement ont été définis de telle sorte qu'ils puissent s'adapter aisément à tout type de membrane fibreuse, ce qui offre des perspectives intéressantes concernant les tissus sévèrement touchés lors d'accidents. De plus, compte tenu de la forte diversité inter individu, cette approche structurelle semble ouvrir la voie de la personnalisation des modèles, dans le sens où les paramètres structurels sont l'identité de chacun.

Focusing on planar and fibrous soft tissues, this work has consisted in determining both the mechanical properties and the failure characteristics of the human skin, in loading conditions close to an impact. In the experimental study, the results have pointed out the relationship between some micro structural parameters of the tissue and the mechanical properties measured at the macroscopic scale. According to this micro/macro dependency, a constitutive law, including structural parameters related to the fibres, has been implemented in a finite element model. The main advantage of such a model is to more locally simulate the tissue behaviour and its failure. The experiments on the human skin bring original and more precise data than classical studies. On the one hand, a heterogeneous strain field has clearly appeared and its heterogeneity has been quantified thanks to a full field measurement technique adapted to the skin. On the other hand, at the microscopic scale, the collagen fibre orientations have been determined and linked to different rupture mechanisms. The first simulations on the human skin have pointed out the importance of using a structural constitutive law in order to model complex physical phenomenon (heterogeneous strain field, gradual rupture of the tissue). Being easily suitable for any planar and fibrous soft tissues, both the testing methodology and the finite element model present interesting perspectives for tissues that are severely injured in automotive collisions. Then, considering individual diversity, such a structural approach will enable to personalize models as structural parameters are everyone's identity.