Malgré les mesures de prévention récemment mises en œuvre, le nombre d'accidents de la route dans des pays développés tels que la France reste relativement élevé. Face à ce constat, il est nécessaire de connaître la tolérance au choc du corps humain dans le but de concevoir des aménagements de véhicules propres à assurer sa protection de façon optimale. Dans ce cadre, la protection de la tête est primordiale dans le sens où il s'agit d'un des segments corporels les plus gravement touchés en cas d'accident automobile. Nous nous intéressons dans le cadre de cette thèse au comportement de l'os crânien et à ses caractéristiques tissulaires. Des éprouvettes prélevées sur des calottes humaines et conservées selon différents modes sont soumises à des essais de flexion trois points, à plusieurs vitesses de sollicitation. Par ailleurs, des procédés d'imagerie sont utilisés pour la détermination de données physiques et structurelles de l'os crânien humain. Celles-ci sont confrontées et mises en relation avec les paramètres mécaniques découlant des essais expérimentaux. L'étape suivante consiste à montrer l'apport de la caractérisation tissulaire pour la simulation du comportement mécanique de l'os crânien par éléments finis. Ce travail donne les moyens pour la personnalisation des modèles en éléments finis du crâne, et montre son importance, afin de simuler parfaitement son comportement en cas de choc, et d'offrir ainsi des outils de prédiction lésionnelle plus performants.

Les blessures de l'abdomen représentent une faible proportion (5%) des blessures lors d'accidents de la route mais elle augmente fortement pour les blessures sérieuses à sévères (16%). L'abdomen du mannequin THOR (Test Device for Human Occupant Restraint), destiné aux futures réglementations de choc frontal, nécessite des améliorations de sa biofidélité et un critère de blessure. Le travail présenté est en trois parties :Premièrement, les paramètres principaux de la réponse mécanique de l'abdomen du THOR et de Sujets Humain Post Mortem (SHPM) sous chargements impacteur et ceinture furent identifiés à l'aide d'un modèle mécanique simplifié. La comparaison des paramètres mécaniques du THOR et des SHPM a mis en évidence les changements nécessaires pour l'amélioration de la biofidélité. Il apparaît que la viscosité équivalente du THOR doit être augmentée d'un facteur 5 et que l'interaction avec la pièce bassin doit être modifiée du fait qu'elle augmentait la rigidité d'un facteur 8. Ces changements furent inclus dans le modèle Éléments Finis (EF) d'un abdomen prototype incluant des capteurs de pression APTS (Abdominal Pressure Twin Sensors) pour caractériser le chargement de l'abdomen.Deuxièmement, la réponse mécanique du prototype a été évaluée en simulations d'essais charriot, ce qui a montré que l'abdomen prototype a peu d'influence sur la cinématique globale du mannequin mais que la flexion du tronc peut faire augmenter la pression dans les APTS. Cela a mené à des recommandations supplémentaires au niveau de la conception de l'abdomen.Finalement, en vue de définir un critère de blessure pour l'abdomen, la pression des APTS a été corrélée aux blessures des organes décrites dans les études sur SHPM de la littérature ou prédites par le modèle EF humain THUMS / Abdominal injuries represent a small proportion (5%) of road crash injuries but their proportion increases considerably with regard to serious and severe injuries (16%). The abdomen of the Test device for Human Occupant Restraint (THOR), intended to be used in future frontal impact assessments, needs further developments regarding its biofidelity and injury criterion. The work performed in this thesis project was in three folds: Firstly, the main parameters of the THOR and Post Mortem Human Subjects (PMHS) abdomen responses under impactor and seatbelt loadings were identified using a lumped element model. The comparison between the THOR and the PMHS mechanical parameters highlighted desired changes for THOR abdomen biofidelity improvement. It was found that THOR material viscosity should be increased by 5 and that interaction with the pelvis flesh should be modified as it increased by 8 the abdomen stiffness. These changes were included in the Finite Element (FE) model of an existing abdomen prototype which is equipped with Abdominal Pressure Twin Sensors (APTS) to quantify the abdomen load. Secondly, the response of the prototype was evaluated in sled test simulations which showed that the prototype abdomen had little influence on the dummy overall kinematics but that the torso flexion could increase the pressure in the APTS. This led to additional recommendations regarding the abdomen design. Finally, for the abdominal injury criterion definition, the APTS pressure was correlated with organ injuries as reported in published PMHS tests or as predicted by THUMS human FE model

Les études statistiques d'accidents montrent que la tête est le segment corporel le plus vulnérable lors d'un accident (chocs piétons, chocs deux-roues et chocs latéraux). Pour enrichir les modèles virtuels d'être humain et développer de nouveaux outils de prédictions lésionnelles, ce travail propose une série d'expérimentations afin d'obtenir les propriétés mécaniques homogénéisées de l'os du crâne humain (pas de distinction entre l'os cortical et spongieux).<br />Des essais ont été réalisés sur 20 SHPM (Sujet Humain Post Mortem) « frais ». Un protocole spécifique a été développé afin de prélever 19 éprouvettes par crâne. Au total, 380 échantillons ont été testés en flexion trois points. Les courbes effort/déplacement ont servi de référence pour l'identification du comportement élastique. De nombreuses relations par zones et orientations osseuses ont été obtenues.<br />Des essais de cyclage dans la zone élastique ont été réalisés sur 105 échantillons prélevés sur 7 SHPM congelés. L'effet de la vitesse de sollicitation a été étudié. Cette seconde campagne permet de comparer les éprouvettes en fonction de leur mode de conservation. Une corrélation a été mise en évidence et a permis d'extrapoler le module d'élasticité à l'état « frais » d'un SHPM testé congelé.<br />Ces deux campagnes d'essais ont permis d'aboutir à une corrélation entre le module d'élasticité équivalent et les propriétés géométriques (épaisseur et densité) d'un SHPM « frais ».<br />Les derniers travaux ont porté sur le développement d'un nouveau prototype de tête. Pour cela, 7 calottes, provenant de SHPM congelés, ont été testées en compression. Les propriétés élastiques du prototype sont issues des campagnes expérimentales précédentes et présentent une distinction entre chaque zone. Ce prototype a été validé par des essais statiques et dynamiques en compression dans différentes zones osseuses.

Les études d'accidents montrent que l'abdomen est devenu le segment prioritaire à protéger pour un occupant ceinturé lors d'un choc automobile frontal, les lésions étant imputables au phénomène de sous marinage. Par ailleurs, un mauvais positionnement de la ceinture de sécurité peut également être à l'origine de lésions lors du déclenchement des prétensionneurs. Ces deux phénomènes entrainent un chargement dynamique de l'abdomen par la ceinture, les vitesses pouvant aller de 4m/s à 8m/s. Le but de cette étude est d'accroitre notre compréhension du comportement de l'abdomen et des mécanismes lésionnels afin d'élaborer un modèle prédictif du risque lésionnel utilisable pour le développement et l'amélioration des systèmes de protection de l'occupant. Pour étudier la réponse de l'abdomen face à un chargement dynamique par une ceinture huit essais sur huit Sujets Humains Post Mortem (SHPM) ont été réalisés. Quatre essais simulaient le phénomène de sous marinage et quatre celui de la prétension de la ceinture. Des bilans d'efforts complets, des mesures de déplacement, de déformées externes de la paroi abdominale, des radiographies et des mesures de pressions ont été réalisés. Les essais disponibles dans la littérature et les résultats expérimentaux ont conduit à développer un modèle masse-ressort-amortisseur reproduisant les principes pilotant le comportement de l'abdomen. Ce modèle souligne le caractère viscoélastique, non linéaire et inertiel de l'abdomen. L'exploitation des mesures réalisées associées aux bilans lésionnels a permis d'apporter des méthodes de validation des modèles numériques par éléments finis et d'améliorer la formulation du modèle être humain HUMOS2

Dans les accidents automobiles, les blessures au thorax arrivent en deuxième position après celles à la tête pour : la zone la plus souvent lésée et le nombre global de décès et de lésions sérieuses. Les fractures de côtes et les volets costaux sont les blessures les plus fréquentes suivies par les lacérations des poumons, du foie et des artères. Afin de mieux comprendre la réponse du thorax lors d'un crash, des modèles en éléments finis ont été développés. Cependant, ces modèles échouent à reproduire des mécanismes lésionnels détaillés tels que les fractures costales. Améliorer la biofidélité de ces modèles passe par une meilleure connaissance des propriétés mécaniques des côtes. L'objectif de ce travail est donc d'étudier expérimentalement et numériquement le comportement mécanique des côtes humaines en dynamique. Des essais de compression axiale et des tests de calcination ont été réalisés pour caractériser le matériau costal. Des essais de flexion trois points et un nouvel essai permettant de solliciter la côte dans la direction antéropostérieure ont servi à caractériser la structure. Les résultats montrent que le niveau costal influence les propriétés de matériaux en compression et le comportement en sollicitation antéropostérieure. Les simulations numériques ont permis de mettre en évidence l'influence de l'os spongieux dans le comportement mécanique des modèles ainsi que l'importance de la géométrie sur la réponse en effort. Aucune influence de l'âge, ni de la vitesse de sollicitation a été relevée. Il faut noter le nombre de pièces testées est petit par rapport aux variations inter-individuelles.