Caractérisation de la fracturation dynamique des os de la cage thoracique : simulations numériques et validation expérimentale

Characterization of rib fractures subjected to impact loads : numerical simulations and experimental validation

• Auteur / Autrice : Aravind Rajan Ayagara
• Direction : André Langlet, Ridha Hambli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 14/11/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Ganghoffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Langlet, Ridha Hambli, Jean-François Ganghoffer, Patrick Chabrand, Sébastien Laporte, Salah Naili, Nicolas Prat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Chabrand, Sébastien Laporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Fractures de côte

Impact

Cage thoracique

Modèles mathématiques

Biomécanique

Mots clés libres

Impact

Réponse dynamique

Côtes de porc

Shpb

LS-Dyna

Blunt Impact

Dynamic response

Porcine ribs

Shpb

LS-Dyna

Résumé

L’objectif de cette thèse est de caractériser le comportement mécanique des côtes isolées sous impact en dynamique rapide par l’expérimentation et les calculs EF. Dans le cadre de cette étude, les côtes de porc ont été choisies comme substituts de la côte humaine. Les essais de flexion trois points en dynamique rapide ont été réalisés avec les barres de Hopkinson. Les résultats de campagne expérimentale ont mis en évidence l’influence de la vitesse de déformation sur le temps de fracture, le faciès de rupture et également, sur l’amplitude des forces d’impact. Un modèle numérique 3D d’une côte de porc a été développé, grâce aux images obtenues par micro-CT en Haute Résolution (HR-pQCT). Ensuite, les propriétés élastiques des constituants ont été attribuées à partir des niveaux de gris des images de HR-pQCT. Une loi de comportement élastique-viscoplastique, modifiée pour prendre en compte les effets de la vitesse de déformation couplée avec une loi d’endommagement a été élaborée. La loi d’endommagement présentée, nous permet de prendre en compte l’endommagement non-linaire, la réduction de la rigidité de la structure et les effets de la vitesse de déformation. Le modèle EF présenté dans cette thèse est capable de prédire la fracture des côtes sous impact en dynamique rapide.

The objective of this study is to characterize the mechanical behavior of isolated porcine ribs subjected to dynamic impact through experiments and numerical simulations. The porcine rib was used as a human surrogate rib in order to develop an adapted methodology for the human rib. A three Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) setup for three-point bending tests was used. An ensemble of 20 test data was considered to be comprehensible for experimental characterization, thereby, showing an influence of strain rate on both time for fracture and amplitudes of force response. A three-dimensional porcine rib model was generated from the DICOM images of High-Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography (HR-pQCT) scans. Material properties interpolated using power-law regression equations based on apparent density were assigned to the numerical rib. A modified elastic-viscoplastic constitutive law, capable of considering the effects of strain rate was elaborated. An incremental and stress-state dependent damage law, capable of considering effects of strain rate on fracture propagation, non-linear damage accumulation and instabilities was coupled to the constitutive law. The proposed Finite Element model is able to predict satisfactory force-displacement curve and fracture patterns of the tested ribs indicating that the developed numerical model may be used to investigate the fracture behavior of human ribs under dynamic loads.