Modèles d'endommagement et de rupture des matériaux biologiques

par Géraldine Jundt

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Christian Brunet et de Patrick Chabrand.


  • Résumé

    En biomécanique des chocs et en traumatologie virtuelle, l’étude des mécanismes lésionnels est essentielle pour évaluer les seuils de tolérance du corps humain. Dans ces domaines, la simulation numérique prend une place prépondérante grâce à des modèles éléments finis de plus en plus réalistes et précis. Cependant, leur mise en oeuvre est complexe : les modèles actuels ne permettent pas de décrire les propriétés d’endommagement et de rupture des matériaux biologiques et limitent donc leurs champs d’utilisation pour la description des mécanismes de blessures. De plus, leur biofidélité concerne essentiellement la description géométrique et structurelle des différents organes et tissus. L’objectif de ce travail porte donc sur l’amélioration de la description des mécanismes lésionnels des os et l’étude des possibilités de personnalisation des propriétés mécaniques pour rendre compte de la variabilité biologique. Après avoir étudié les spécificités du comportement mécanique de l’os et un ensemble de lois de comportement, nous avons choisi un modèle d’endommagement le plus approprié. Cette loi a été validée d’un point de vue thermodynamique. Puis elle a été adaptée à une formulation éléments finis, pour être implémentée dans une plate-forme numérique de calcul dynamique explicite. Pour son adaptation, nous avons fait des choix scientifiques mais aussi des choix de « circonstance » imposés par la formulation spécifique des calculs dynamiques explicites. Afin de rendre compte des différences interindividuelles, nous avons étudié l’influence de certains paramètres tels que la porosité, la minéralisation, l’âge ou le sexe, sur les propriétés mécaniques des os. Nous avons également réalisé des essais de flexion d’os longs. Ces essais ont une double finalité : étudier l’influence des paramètres biologiques et expérimentaux sur le comportement de fémurs et de tibias, et évaluer la loi de comportement par la simulation de ces essais. L’évaluation de la loi d’endommagement pour l’os a été effectuée à différentes échelles (simulations d’essais sur éprouvettes et des essais de flexion de fémurs). La loi donne des résultats tout à fait satisfaisants et propose un profil de rupture cohérent avec celui observé expérimentalement.

  • Titre traduit

    Damageable and fracture models for living tissues


  • Résumé

    In biomechanics and in traumatology, studying injury mechanisms is essential to assess the limits of the human body. In these fields, the numerical simulation takes a leading place with finite element models that are more and more precise and realistic. Nevertheless its implementation is complex : the current models can not describe the damage and fracture properties of the living tissues. Therefore, their description of the injury mechanisms restricted their applications. In addition, these models are essentially “bioreliable” for their geometric and structural descriptions of the different organs and tissues. Therefore, the aim of this work is to improve the description of the injury mechanisms of bones and to study the way to adapt the mechanical properties to the biological variability. First, the mechanical behaviour of bones and a set of behaviour laws are studied. Then, the most appropriate law is chosen. It is validated from a thermodynamic point of view in order to adapt it to finite element method. The law is implemented in a numerical platform for dynamic explicit computation. To create this platform, some choices are to be made because of the specific dynamic explicit theory. In order to take the biological variability into account, some parameters like densities, porosity, mineral content, age or gender that influence mechanical properties are studied. Some experiental three-point bending tests are also performed on long bones. Their aims are : to study how the experimental and biological parameters could influence the femur and tibia behaviour ; to model these tests to value the chosen damageable law. The valuation of the law is multilevel (from specimens to whole bones). The chosen damageable law give results in good agreement with experimental data and show a coherent fracture profil.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (250 p.)
  • Annexes : Bibliogr. : p.218-228

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  • Bibliothèque : Université Aix-Marseille (Marseille. Luminy). Service commun de la documentation. Bibliothèque de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 45419
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