Contribution à la compréhension et à la modélisation des effets lésionnels sur le thorax des ondes de choc aériennes

Contribution to the understanding and modelling of the lesional effects on the thorax bound to the exposure to a shock wave

• Auteur / Autrice : Johanna Boutillier
• Direction : Rémy Willinger, Caroline Deck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 16/01/2017
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Papy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Papy, Pierre-Jean Arnoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertations universitaires

Barotraumatismes

Biocompatibilité

Prothèses internes

Choc (mécanique)

Biomécanique

Simulation par ordinateur

Ondes de choc

Lésions et blessures

Thorax

Mots clés libres

Onde de choc

Thorax

Expérimentations

Simulations numériques

Physique du blast

Interactions blast/structures

Critère de lésions pulmonaires

Substitut thoracique bio fidèle

Shock wave

Thoracic injuries

Experiments

Numerical simulations

Blast physics

Blast / structures interactions

Criterion of pulmonary lesions

True organic thoracic substitute

Résumé

Dans le contexte actuel d’attentats et autres conflits armées, le risque lésionnel thoracique par explosion est exacerbé sans que pour autant l’on sache l’efficacité réelle des moyens actuels de protection thoracique individuelle face à une telle menace. Ce travail de thèse, combinant expérimentations et simulations numériques, a traité de front l’ensemble de la chaine physique entre la détonation d’une charge explosive et l’apparition de lésions pulmonaires. Un des premiers objectifs a été de comprendre les différents phénomènes physiques mis en jeu lors de la propagation de l’onde de choc en champ libre. Le large éventail de données expérimentales acquis a permis de développer des outils simples permettant la détermination des caractéristiques de la menace ainsi qu’une approche numérique robuste sous LS-DYNA. L’objectif suivant a été d’étudier l’interaction d’ondes de choc avec des cibles de géométries simples et de compositions différentes. L’analyse des données expérimentales acquises a permis, en plus de la validation numérique de l’interaction fluide-structure et des MEF des structures, de déterminer de possibles candidats pour la définition d’un critère de lésions thoraciques. Enfin, des essais sur réacteurs biologiques post-mortem ont été réalisés, permettant d’obtenir la réponse cinématique du thorax du modèle porcin sous blast. Tout ceci a permis d’aboutir à des voies d’amélioration et à des outils prometteurs pour permettre l’évaluation et l’évolution des systèmes de protection thoracique dans un futur assez proche afin de limiter les risques face à cette menace qui a gagné en importance ces dernières années.

With the increasing number of bombing attacks and armed conflicts, the risk of thoracic injuries caused by the blast threat is worsen, without knowing the efficiency of the current individual chest protection systems impacted by such a threat. This research, combining experiments and numerical simulations, dealt with the physics at play from the detonation of an explosive charge and the injury outcomes. One of the first objectives was to understand the different physical phenomena involved in the propagation of the shock wave in the open field. The huge set of data acquired allowed the development of simple tools for the determination of the blast characteristics as well as a robust numerical approach under LS-DYNA. The next objective was to study the interaction of shock waves with targets of simple geometries and different compositions. In addition to the numerical validation of the fluid-structure interaction and of the FEM of the structures, the analysis of the experimental data acquired allowed to determine possible candidates for the definition of a thoracic injury criterion. Finally, tests on biological post-mortem reactors have been carried out, which enabled to obtain the kinematic response of the swine’s thorax under blast. All this work has led to improvements and promising tools for the evaluation and the improvement of chest protection systems in the near future. The proposed tools should be used to limit the risks to this threat which has gained in importance in recent years.