Brevet FR2868583A1 — publié le 20051007

L'invention concerne un mannequin physique ou numérique destiné à reproduire les mouvements du tronc humain dans des situations de sollicitations antéropostérieures dans le plan sagittal, ainsi que l'utilisation d'un tel mannequin pour la simulation du comportement d'un individu dans des essais de type crash test en choc avant ou arrière. Dans divers domaines, dont celui de l'amélioration de la sécurité des véhicules automobiles, on a essayé d'établir des modèles permettant de reproduire le comportement d'un individu, dans des situations d'accident. Cette modélisation lo a notamment pour but de permettre aux constructeurs automobiles d'optimiser la sécurité des occupants dans de telles situations. En particulier, la simulation de choc arrière est utilisée pour optimiser la sécurité procurée par les sièges et/ou les appuis-tête de véhicule automobile. Pour ce faire, on utilise classiquement des mannequins physiques ou numériques qui sont agencés pour avoir un comportement analogue à celui du modèle (le mannequin étant alors qualifié de biofidèle ). Ainsi, en plaçant ce type de mannequin physique ou numérique dans le véhicule lors d'un essai de type crash test ou lors d'une simulation d'un tel test, et en mesurant ou calculant les sollicitations qu'il subit, on peut prévoir les éventuels traumatismes qui peuvent être occasionnés sur l'individu modélisé. L'un des problèmes qui se pose est alors celui du paramétrage du modèle, de sorte à obtenir des cinématiques modélisées qui soient comparables à celles réellement observées en cas d'accident. Pour être le plus réaliste possible, le paramétrage devrait être réalisé avec des données, telles que des raideurs, des amortissements ainsi que des paramètres inertiels, qui sont spécifiques à l'individu considéré. Les méthodes actuelles pour évaluer ces données sont basées sur la réponse temporelle mesurée sur le vivant dans toutes les conditions nécessaires, et les mannequins basés sur ces méthodes sont agencés pour reproduire l'individu dans toute sa complexité statique et dynamique. Mais, pour des raisons d'éthique et de limite de tolérances physiques, on ne 5 peut pas soumettre des volontaires à des tests qui pourraient engendrer des lésions. C'est pourquoi, on peut utiliser des cadavres pour paramétrer les modèles. Mais, les mannequins basés sur ces données ont un comportement quasi io cadavérique qui se révèle peu représentatif de celui des vivants, principalement lors de la simulation de chocs modérés. En effet, les paramètres utiles dans les modèles connus sont largement fonction de l'action des muscles, des ligaments, ainsi que de l'interaction entre tous les organes, et ce en fonction des différentes caractéristiques anthropométriques possibles. Il en résulte que les paramètres recherchés sont largement inaccessibles dans le cadre de l'analyse temporelle, ce qui conduit souvent à utiliser dans les modèles des paramètres hypothétiques, moyennés ou empiriques qui, dans la plupart des cas, ne permettent d'accéder qu'à des comportements globaux. Par conséquent, le comportement des mannequins basés sur ces modèles n'est pas entièrement satisfaisant, en particulier, ils ne permettent pas de prévoir 25 certains phénomènes observés par exemple en cinématographie rapide. En outre, les mannequins de l'art antérieur visent à reproduire l'individu dans toute sa complexité morphologique, ce qui dans la pratique conduit à des modèles de mannequins numériques lourds et s'avère quasi impossible techniquement et économiquement pour la réalisation de mannequins physiques. Du document FR-2 839 803 issu de la demanderesse, on connaît un mannequin physique ou numérique destiné à reproduire les mouvements de la tête et du cou dans des situations de sollicitations antéro-postérieures dans le plan sagittal. Selon la présente invention, la demanderesse propose un mannequin qui tout en étant de complexité minimale, présente une biofidélité améliorée vis-à-vis des mouvements du tronc humain dans des situations de sollicitations antéropostérieures dans le plan sagittal. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose mannequin physique io ou numérique destiné à reproduire les mouvements du tronc humain dans des situations de sollicitations antéro-postérieures dans le plan sagittal, ledit mannequin comprenant une partie formant l'ensemble tête-cou et un partie formant bassin qui sont reliées entre elles par un système formant tronc. Le système comprend quatre éléments sensiblement rigides formant respectivement partie supérieure du thorax, partie inférieure du thorax, partie supérieure d'abdomen et partie inférieure d'abdomen, lesdits éléments étant associés en rotation entre eux par l'intermédiaire de respectivement un pivot, l'extrémité inférieure de l'élément formant partie inférieure d'abdomen étant associés en rotation à la partie formant bassin par l'intermédiaire d'un quatrième pivot, lesdits pivots étant d'axe parallèle et étant agencés de sorte à présenter chacun un paramètre de raideur et un paramètre d'amortissement. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une utilisation d'un tel mannequin de test pour la simulation du comportement d'un individu dans des 25 essais de type crash test en choc avant ou arrière. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence au dessin annexé qui représente schématiquement la correspondance entre le tronc d'un individu et le modèle utilisé dans un mannequin suivant l'invention. Après des études intensives sur la modélisation du comportement biomécanique du tronc d'un humain qui ont été réalisées in vivo dans le domaine fréquentiel et par le biais d'une analyse modale, la demanderesse a pu modéliser le comportement d'un tel ensemble par l'intermédiaire d'un système masses ressorts amortisseurs à quatre degrés de liberté. En effet, la réponse du système thorax, abdomen, bassin (ci-après appelé système formant tronc) due à une sollicitation de force impulsionnelle donne une fonction de transfert typique d'un modèle à paramètres localisés à quatre degrés de liberté. Par conséquent, un mannequin comprenant une partie formant l'ensemble tête-cou et un partie formant bassin qui sont reliées entre elles par un système formant tronc à quatre degrés de liberté peut être optimisé pour présenter une bonne biofidélité vis-à-vis des mouvements du tronc d'un individu dans des situations de sollicitations antéro-postérieures dans le plan sagittal, et ce tout en étant particulièrement simple de construction. En relation avec la figure, on décrit un modèle comprenant quatre éléments formant respectivement partie supérieure du thorax 4, partie inférieure du thorax 3, partie supérieure d'abdomen 2 et partie inférieure d'abdomen 1. Les éléments sont associées en rotation entre eux par l'intermédiaire de respectivement un pivot (02, 03, 04). Par ailleurs, l'extrémité inférieure de l'élément formant partie inférieure d'abdomen 1 est associé en rotation à la partie formant bassin par l'intermédiaire d'un quatrième pivot (01). Les pivots sont d'axe parallèle de sorte à permettre une rotation entre les éléments respectivement suivant les angles 01, 02, 03 et 04 dans le plan sagittal ZX. Les pivots sont agencés de sorte à présenter chacun un paramètre de raideur (kt k2, k3, k4) et un paramètre d'amortissement (ci, c2, c3, c4). En outre, chaque élément présente un paramètre inertiel (JI, J2, J3, J4) et un paramètre massique (mi, m2, m3, m4). Suivant un premier mode de réalisation, le système peut être réalisé avec des éléments sous la forme de pièces sensiblement rigides de géométrie cylindrique à base elliptique, destinées à reproduire la forme du buste. Dans un exemple particulier, les paramètres utilisés sont les suivants qui sont issus d'une mesure ou d'études anthropométriques d'un individu. Hauteur des cylindres: - 0102 = 0,146 m; 0203 = 0,128 m; 0304 = 0,161 m; 04S = 0,144 m (S étant l'extrémité supérieure de l'élément formant partie supérieure du thorax 4) . Petit axe des bases elliptiques: io - al = 0,07 m; a2 = 0,05 m; a3 = 0,07 m; a4= 0,07 m. Grand axe des bases elliptiques: - b1=0,76m;b2=0,80m;b3=0,12m;b4=0,15 m. Masse des pièces: - mi =10,5 kg; m2=8kg;m3=7,3kg;m4=3,6kg. Inertie des pièces: - J = 0,0603 kg.m2; J2 = 0,0352 kg.m2; J3 = 0,0281 kg.m2;J4 = 0,01 kg.m2. Avec ces paramètres, il est possible d'optimiser de façon connue les valeurs de raideur et d'amortissement des pivots de sorte à obtenir une bonne biofidélité du mannequin. Dans l'exemple mentionné ci-dessous, une optimisation peut conduire aux résultats suivants: kl = 625 Nm/rad; ci = 0,8 Nms/rad; k2 = 92 Nm/rad; c2 = 0,2 Nms/rad; - k3 = 224 Nm/rad; c3 = 0,9 Nms/rad; - k4 = 643 Nm/rad; c4 = 0,1 Nms/rad. Le principe de modélisation du mannequin ainsi obtenu est applicable à une large population à anthropométrie variée qui présente des modes de vibration sensiblement aux mêmes fréquences. Par ailleurs, il apparaît que la précision des paramètres géométriques, de masse et d'inertie du mannequin ne sont donc pas véritablement critique pour obtenir une bonne biofidélité du mannequin, ce qui est particulièrement intéressant compte tenu de la difficulté à quantifier exactement ces paramètres. Suivant un deuxième mode de réalisation, le modèle peut être utilisé pour réaliser un mannequin numérique de sorte à être utilisable dans des simulations numériques d'essais de type crash test. io Dans cette réalisation, les masses et les inerties de chacun des éléments sont réduites aux centres de gravité desdits éléments. Ainsi, on peut utiliser l'exemple physique mentionné ci-dessus, en localisant les masses et les inerties au niveau des centres de gravité (Gl, G2, G3, G4) des cylindres de sorte à pouvoir modéliser les éléments par des segments comme cela est représenté sur la figure. Dans l'exemple représenté sur la figure, on a utilisé des pivots qui sont décalés dans le sens -X par rapport à la base elliptique des pièces, de sorte que les centres de gravité sont localisés à l'avant des segments (sens +X). Dans le modèle de mannequin numérique ainsi obtenu, il est possible d'utiliser les paramètres de raideur et d'amortissement mentionnés cidessus afin d'obtenir un bonne biofidélité. Il est entendu qu'il est possible d'intégrer également la géométrie extérieure du buste dans ce modèle mathématique. Le modèle de mannequin suivant l'invention est particulièrement adapté pour être utilisé pour la simulation de choc avant ou arrière de sorte à optimiser la sécurité conférée par les sièges et/ou les appuis-tête de véhicule automobile. En outre, dans le cas où l'on souhaite également simuler les mouvements de la tête et du cou dans des situations de sollicitations antéropostérieures dans le plan sagittal, il est possible de combiner les caractéristiques du mannequin selon l'invention à celles du mannequin décrit dans le document FR-2 839 803. A cet effet, la partie formant l'ensemble tête-cou est réalisée conformément à ce document et est reliée, par l'intermédiaire de son deuxième pivot, à l'extrémité supérieure S de l'élément formant partie supérieure du thorax 4. REVENDICATIONS 1. Mannequin physique ou numérique destiné à reproduire les mouvements du tronc humain dans des situations de sollicitations antéro-postérieures dans le s plan sagittal, ledit mannequin comprenant une partie formant l'ensemble tête-cou et un partie formant bassin qui sont reliées entre elles par un système formant tronc, caractérisé en ce que ledit système comprenant quatre éléments sensiblement rigides formant respectivement partie supérieure du thorax (4), partie inférieure du thorax (3), partie supérieure d'abdomen (2) et partie io inférieure d'abdomen (1), lesdits éléments étant associés en rotation entre eux par l'intermédiaire de respectivement un pivot (02, 03, 04), l'extrémité inférieure de l'élément formant partie inférieure d'abdomen (1) étant associés en rotation à la partie formant bassin par l'intermédiaire d'un quatrième pivot (O1), lesdits pivots étant d'axe parallèle et étant agencés de sorte à présenter chacun un paramètre de raideur et un paramètre d'amortissement. 2. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (1, 2, 3, 4) sont formés de pièces sensiblement rigides qui présentent la géométrie d'un cylindre à base elliptique. 3. Mannequin numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les masses et les inerties de chacun des éléments (1, 2, 3, 4) sont réduites aux centres de gravités (Gl, G2, G3, G4) desdits éléments, lesdits éléments étant modélisés par des segments. 4. Utilisation d'un mannequin de test selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour la simulation du comportement d'un individu dans des essais de type crash test en choc avant ou arrière.