Modélisation par éléments finis des lésions crânio-encéphaliques : Application à l'optimisation du casque vis à vis de critères biomécaniques

par Caroline Deck

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de Rémy Willinger.

Soutenue en 2004

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .


  • Résumé

    Les traumatismes crâniens demeurent une cause de mortalité importante et entraînent des incapacités graves. La modélisation numérique est un outil communément admis pour étudier la biomécanique des chocs crâniens. Le premier objectif de ce travail a été l'optimisation d'un MEF du casque moto vis à vis de critères biomécaniques en se basant sur le comportement dynamique de ses composants. Après une validation du MEF du casque de motocycliste couplé à une fausse tête comme stipulé par les normes, celui-ci a été couplé à un MEF de la tête anatomique disponible, dans le but d'estimer différents paramètres intra-crâniens. L' analyse de la réponse de la tête biologique couplée au casque de référence suivant les quatre configurations d'impact imposées par la norme ECER022 a été menée. Ces sollicitations intracérébrales présentent des valeurs bien supérieures aux limites de tolérance surtout en ce qui concerne les contraintes de cisaillement intracérébrales. A la suite de ce constat, une étude paramétrique et portant sur quatre paramètres mécaniques du casque de protection, a été réalisée permettant de corréler ces différents paramètres mécaniques aux sollicitations intracrâniennes calculées, proposant ainsi une optimisation du casque. Le second objectif de ce travail était d'améliorer un certain nombre d'aspects géométriques et mécaniques de ce segment complexe. Le crâne a été revisité d'un point de vue géométrique afin de simuler des fractures dépressives et linéaires. Concernant le cerveau, un effort a été entrepris quant à ses propriétés mécaniques en se basant sur des essais expérimentaux originaux. Ce travail propose une modélisation plus fine de la boîte crânienne et une validation de son comportement faisant intervenir la variation d'épaisseur de l'os ainsi que les piliers et poutres de renforcement. Nous avons également procédé à une validation originale des propriétés mécaniques linéaires et non linéaires de la matière cérébrale en terme de déformation.

  • Titre traduit

    Finite element modeling of head injuries : Application to the helmet optimisation against biomechanical criteria


  • Résumé

    Traumatic head injuries remain a common cause of death and severe disabilities around the world. FE modelling of the head is a well accepted tool to study head impact biomechanics. The first goal of this work was to optimise a full face helmet finite element model based on the dynamic behaviour of its components against biomechanical criteria. After a validation with a headform FE model as used in the experimental normative tests, the helmet model was coupled with a previously developed finite element model of the human head in order to predict intra-cranial field parameters. Four impacts on a flat anvil has been simulated with the same boundary conditions as for the normative test (ECER022) with standard helmet mechanical properties. The estimated intra-cranial stresses suggested that some brain tolerance limits were reached in these impacts configurations. In order to define the influence of the helmet shell and foam properties on the human head, a parametric study of the model was undertaken and all results were analyse with a PCA method to propose an helmet optimisation against biomechanical criteria. The second goal of this work was to improve a number of geometrical aspects and material constitutive laws of this complex human segment. The skull representation is improved at the geometrical point of view in order to simulate skull depressive and linear fractures. At the other hand brain constitutive law improvement is based on original experimental tests focusing on non linear behaviour in order to investigate the brain material properties influence in the head model validation procedure against existing experimental brain deformation recording. Main result is a detailed skull geometry including skull reinforced beams and thickness variation validated against existing head impacts involving skull fracture as well as a linear and a non-linear brain constitutive law which permit an accurate validation against brain deformation under impact.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (248 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f.242-248

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2004;4711
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