Thèse soutenue

Contribution à l'étude des réponses dynamiques des tissus humains sous des impacts à haute vitesse en utilisant la modélisation par éléments finis
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Auteur / Autrice : Jianbo Shen
Direction : Sébastien Roth
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
Date : Soutenance le 02/02/2022
Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
Jury : Président / Présidente : Eric Wagnac
Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Roth, Sébastien Laporte, Anne-Sophie Bonnet, Emmanuelle Jacquet, François Peyraut
Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Laporte, Anne-Sophie Bonnet

Résumé

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Les blessures thoraciques surviennent fréquemment dans divers cadres de biomécanique d’impact à haute vitesse. Les fractures des côtes et les lésions pulmonaires sont les lésions les plus courantes des tissus durs et mous du thorax humain. Cette thèse vise à contribuer à l'étude des réponses dynamiques des tissus humains, en particulier des côtes et des tissus mous, sous des impacts à hautes vitesses en utilisant la modélisation par éléments finis. Premièrement, une nouvelle loi de comportement élasto-hydrodynamique dépendant de la vitesse de déformation du gel polymère synthétique Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene (SEBS) a été proposée et implémentée en tant que lois utilisateur dans Radioss (Altair Hyperworks) pour interpréter les comportements dynamiques du gel SEBS sous diverses configurations de chargement. Une corrélation essais/calcul valide la biofidélité du modèle et révèle que l'effet de dépendance à la vitesse de déformation est significatif dans le gel SEBS, en particulier pour les taux de déformation élevés, ce qui indique la nécessité de prendre en compte la dépendance à la vitesse de déformation lors de la modélisation du gel SEBS en tant que substitut des tissus mous humains. Ensuite, l'étape suivante a été d'examiner numériquement l'effet des paramètres géométriques et mécaniques sur les comportements dynamiques de côtes de porc isolées soumises à des impacts à haute vitesse utilisant des expérimentations de la litérature et les barres de Hopkinson (SHPB). Les études de sensibilité mettent en évidence l'effet significatif des paramètres géométriques sur les comportements dynamiques des côtes. Le mode de chargement et la sensibilité à la vitesse de déformation sont également étudié. Une dernière étape consiste a développer des modèles EF de côtes humaines incluant diverses propriétés matériaux, (les propriétés du matériau de l'os cortical des côtes humaines,ainsi que les propriétés des matériaux des côtes de porcs) sous différents modes de chargement (tension et compression), et prenant en compte les vitesses de déformation et les âges des sujets, afin de mieux comprendre les réponses structurelles des côtes et les zones de fracture sous flexion antéro-postérieure dynamique. Les simulations donnant les relations force-déplacement, la déformation corticale, la rotation et les emplacements de fracture correspondent bien aux données expérimentales publiées. De plus, les réponses structurelles numériques des côtes se sont révélées sensibles aux propriétés du matériau, au différents modes de chargement, aux vitesses de déformation et à l'âge. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte ces facteurs lors de l'établissement des modèles numériques EF de ces structures. Globalement, cette thèse aide à mieux comprendre les réponses dynamiques des tissus humains dans des contextes d'impacts à hautes vitesses (HVI), et les lois de comportement du gel SEBS et des côtes peuvent être utilisée dans un modèle de thorax global pour des investigations des traumatismes sur le corps humains.