SOMMAIRE
Pour le résumé cliquer sur le drapeau/For the abstract click on the flag
Mécanique et Médecine
L'homme et l'accélération Comportement et protection
Journées SFM avec le soutien de la Délégation Générale à l'Armement
et le concours scientifique de la Société de Biomécanique
du 24 au 25 Mars 1999 à la
Maison de la Mécanique
2. Articles libres
J. Bonini Méthodes en dynamique non linéaire des rotors REVIEW OF THE NON LINEAR ROTOR DYNAMIC METHODS F. Bakir -- Étude théorique et expérimentale de l'écoulement diphasique Theoretical and experimental study of two-phase flow in centrifugal pumps M.H. Lacire Proposition d'une éprouvette CT modifiée pour la caractérisation de l'amorçage et la propagation de fissure sous choc thermique CHARACTERISATION UNDER THERMAL SHOCK M. Dursapt - Analyse expérimentale du mode de déformation d'une surface
RESUMES/ ABSTRACTS
MECAMED 3 - L'homme et l'accélération
par M. MEUNIER
Directeur honoraire de l'Institut de St-Louis
La mécanique comprend deux finalités : la réalisation d'objets concrets; l'ensemble des théories expliquant les phénomènes mis en jeu. Fjl e peut fournir des outils pratiqus et théoriques à la médecine.
La médecine, de son côté, présente un double aspect : c'est à la fois un art et une science: un art, elle l'est depuis toujours; une science, elle s'est enrichie d'autres sciences et d'autres techniques pour l'identification et le traitement des pathologies.
Dans sa quête de puissance et d'action, l'homme s'expose à des accélérations contre lesquelles il n'est pas naturellement prémuni et qui l'éprouvent. Parfois même, il risque d'être soumis accidentellement à des chocs intenses qui peuvent mettre en péril son intégrité physique ou sa vie.
Le mécanicien, pour concevoir les objets et les machines a besoin de connaître les limites que peut admettre l'homme qui va les utiliser ou les servir. Il adapte alors son environnement, par des équipements personnels ou des agencements plus généraux, qui permettent d'accroître ses capacités d'action. Il oriente ses concepts en fonction des données que seul le médecin peut lui fournir.
Le médecin cherche en effet à apporter des éclaircissements sur la résistance de l'homme placé dans des conditions particulières résultant des missions qu'il a à accomplir. Il doit déterminer les effets immédiats et différés qu'il subit, et en donner les causes. Il a à prévenir autant que possible, les dégâts potentiels et apprendre à les réparer s'il y a lieu.
Dans cette approche les méthodes du mécanicien pour comprendre comment l'énergie se dissipe, et comment les contraintes incidentes se propagent et modifient sa réponse physiologique. De tels modèles, adaptés et appliqués avec précaution, deviennent pour lui un moyen de vérifier certaines hypothèses, à la lumière des constatations qu'il observe.
Utilisateur alors de modèles issus de la mécanique, il donne en retour une validation expérimentale, ou des orientations pour les améliorer. Cette confrontation est d'un grand intérêt pour le mécanicien, non seulement pour mieux traiter le problème de l'homme et l'accélération mais également pour en tirer partie dans la résolution de projets plus classiques.
La SFM est la seule société savante française ou étrangère qui a dans le passé assuré une liaison entre ingénieurs et mécaniciens par les congrès MECAMED I et MECAMED II qu'elle a déjà organisés et dont les actes ont été publiés dans la Revue Française de Mécanique.
Le congrès MECAMED III s'attache aux problèmes de l'homme et l'accélération. Il est particulièrement riche d'enseignement en par les liens déjà tissés entre les mécaniciens et les médecins, par l'importance pratique des questions abordées, par la qualité des résultats déjà enregistrés, par les espoirs nourris pour l'avenir. Il est bien illustré en se plaçant, comme le prévoit le colloque, dans deux situations typiques extrêmes et une situation intermédiaire
a) les accélérations où la mise en charge est relativement lente, mais durable (type aérospatial).
b) les impulsions puissances mais très brèves (impacts violents)
c) dans une situation intermédiaire, les chocs avec dissipation d'énergie étalée dans le temps (accidentolooie)
L'objet du colloque est de mettre en lumière les méthodes et les moyens utilisés dans les études des cas évoqués ci-dessus. Ces études comprennent notamment : des approches géométriques et descriptives; des déterminations du comportement des composantes, en particulier de composants physiologiques; des recherches d'interfaces réalistes; des simulations partielles ou globales avec les validations expérimentales correspondantes.
Le colloque s'adresse non seulement aux spécialistes impliqués dans le problème, mais aussi à tous ceux qui sont intéressés par la méthodologie utilisée.
Il s'adresse également aux ingénieurs, physiciens et médecins qui interviennent dans la conception ou l'emploi de proghèses, de capteurs spécifiques, d'interface homme-machine actifs ou passifs, notamment dans le cas où des
ROLE DES PROTECTIONS INDIVIDUELLES I)IJ COMBATTANT
Bilan des blessures en ex-Yougoslavie
Médécin Général Inspecteur A. PASTUREL
Professeur agrégé du Val-de-Grâce
Inspecteur du service de santé pour l'armée de- terre
La vocation essentielle du médecin est de soigner, mais la prévention est et demeurera une de ses préoccupations permanantes.
La prévention des blessures des combattants a. toujours été le souci constant du médecin militaire, C'est pour cela que nous étudions et cherchons à améliorer depuis plusieurs années les protections individuelles des combattants,
Les protections individuelles (casque et gilet pare-balles ou pare-éclats) adoptées par 1'amée française sont parmi les plus efficaces; actuellement proposées sur le marché mais comme dans tout combat, le glaive l'emporte parfois sur la cuirasse entraînant alors la blessure du combattant,
En analysant les blessures subies lors des combats en ex-Yougoslavie, les différentes protections. peuvent être évaluées tout en suivant la chaîne d'expertise qui fait participer le commandement, les médecins de la chaîne de soins et les balisticiens.
L'étiologie des blessure est celle des conflits modernes
- 27 % sont dues à des accidents de la circulation,
- 9 % à des plaies par balles,
- 64 % à des plaies par éclats.
Les protections ont sauvé la vie sans aucune séquelle, à 36 % des blessés; 44 % de blessés portant leurs protections ont été touchés en dehors des zones protégées, le plus souvent par des "snippers" et dans 20% des cas, la menace étant très supérieure à la protection, les protections ont été perforées.
PROTECTIONS CONTRE LES IMPACTS BALISTIQUES.
VERS UNE METHODE DE CARACTERISATION
DES EFFETS ARRIERES
Philippe Bosc, Laboratoire de Protection Balistique,
Etablissement Technique de Bourges
L'impact balistique non transfixiant (qui ne traverse pas) d'une protection par un projectile est un phénomène complexe, engendrant pour le porteur des effets qu'il est difficile de prédire a priori. La prédiction des risques de blessures derrière une protection ne concerne pas seulement le domaine militaire mais aussi des domaines aussi différents que l'automobile ou le base-ball, L'étude de la littérature dans le domaine des effets des impacts sur l'homme montre que la majorité des travaux publiés, l'ont été à l'initiative des constructeurs automobiles dont le but était de déterminer des critères permettant d'homologuer des systèmes de sécurité. Ces critères sont appliqués à partir de mesures réalisées sur mannequin biomécanique instrumenté. Aujourd'hui des modèles informatiques remplacent petit à petit les mannequins dans les laboratoires. Ces modèles ont besoin d'être validés par des expérimentations. De par la brièveté des phénomènes d'impacts balistiques (quelques millisecondes au plus), les essais nécessitent une instrumentation adaptée aux niveaux de la bande passante et de la fréquence d'échantillonnage,
Les essais réalisés au laboratoire de protection balistique de l'ETBS, avec une méthode basée sur l'utilisation de capteurs pelliculaires, de mini capteurs de pressions et de cinématographie ultra-rapide permettent, à la fois, de fournir des données quantitatives exploitables par les modèles informatiques et par traitement de comparer différentes protections (céramique et polyéthylène) soumises à l'impact de projectiles de calibres variés.
PROTECTION DE TETE ET EFFETS ARRIERE
Jean-Claude Sarron, Jean-Christophe Allain, Joseph Da Cunha, Jean-Paul Caillou
DGA/DSP/STTC, 00460 Armées
De nouveaux matériaux permettent de concevoir des casques qui arrêtent les éclats et les munitions de petits calibres mais provoquent des effets arrière. Afin de comprendre les phénomènes mécaniques céphaliques engendrés par un impact stoppé par une protection une approche expérimentale a été couplée à une approche numérique par éléments finis. Les fractures osseuses sont décrites et analysées et les forces de contact ainsi que les pressions intracérébrales sont enregistrées. La simulation numérique a permis de montrer le rôle important joué par l'os et notamment l'os trabéculaire, dans le transfert d'énergie.
Trois zones d’impact Frontal (FR), Pariétal (PR), Vertex (VX)
Head protection and rear effects
New materials allow to build helmets that stop fragments and low velocity bullets but induce rear effects. In order to understand the mechanical phenomena created by an impact stopped by a protection, an experimental approach was coupled with a numerical finite element method. Bone fractures were described and analysed, contact forces and intracerebral pressures were recorded. The numerical simulation showed the important role played by bone, in particular the role of the trabecular bone, in the energy transfer.
MODELISATION DE LA VARIATION DE LA PRE-CHARGE CARDIAQUE SOUS ACCELERATION POSITIVE +GZ
A MODEL OF CARDIAC PRELOAD CHANGES UNDER HIGH SUSTAINED POSITIVE ACCELERATION
Pierre VIEYRES
G.I.P. Ultrasons, 2 bis Boulevard Tonnellé 37000 Tours
et Laboratoire Vision Robotique 63 Avenue de Lattre de Tassigny, 18000 Bourges
Les avions de chasse engendrent de fortes accélérations qui peuvent réduire temporairement le champ visuel du pilote et ses capacités psychomotrices. Une accélération positive provoque un déplacement de la masse sanguine vers la partie basse du corps et génère des altérations psychosensorielles. Si l'analyse des données recueillies lors d'expérimentations en centrifugeuse permet d 'évaluer de façon globale l'efficacité d'une méthode de protection anti-G, elle ne permet pas de quantifier les importances relatives des mécanismes impliqués. Il est donc nécessaire de faire appel à la modélisation mathématique du système cardio-vasculaire et de ses régulations physiologiques.
Le modèle développé dans le cadre du contrat DRET 96/506 permet de calculer les évolutions des pressions, des débits et de la saturation artérielle en oxygène (SaO2), composants essentiels pour la détermination des seuils de la tolérance des pilotes soumis à des niveaux d'accélération élevés, supérieurs à +3Gz. Une hypervolémie de 500 ml provoque un gain respectif des seuils de la perte de vision périphérique (PVP), de la perte de vision centrale (PVC) et de la perte de connaissance (PC) de +0,35 Gz, de +0,4 Gz et de +0,45 Gz.
Variation de la pression dans l'oreillette droite POD (mmHg) en fonction de la LBNP
Variation de la Pression dans l'oreillette droite POD (mmHg) lors du gonflage du pantalon anti-G
:
Today's high performance aircrafts, capable of operating at high sustained +Gz acceleration, can exceed the tolerance limit of the pilot. The acceleration stress causes a blood pooling in the lower parts of the body and reduces cerebral blood flow leading to peripheral light loss (PLL), central light loss (CLL) and eventually loss of consciousness (G-LOC). The analysis of data collected in centrifuge experiments allows the evaluation of the global efficiency of the protection methods, but does not inform us about the relative significance of the various mechanisms involved. Therefore, the use of a mathematical model can provide insight into the cardiovascular system's behavior, and become a useful tool in predicting the variation in the ventricular filling during high acceleration levels and in giving a theoretical estimation of the performance of new possible methods for the pilot's protection. The model developed, for DRET contract n°96/506, enables calculations of blood pressure, flows and arterial blood saturation to be made for the determination of pilot tolerance thresholds under high sustained acceleration levels. A 500 ml total blood volume increase improves the peripheral light loss (PLL), central light loss (CLL) and the loss of consciousness (G-LOC) thresholds by +0.35Gz, +0.4Gz and +0.45Gz, respectively.
MODÉLISATION EN ÉLÉMENTS FINIS 3D DU CORPS HUMAIN
SOUMIS AUX IMPACTS
par S. ROBIN*, F. LAVASTE**
* Laboratoir PSA Peugeot Citroën Renault
** Laboratoire de Biomécanique de LENSAM
La protection des occupants de véhicules automobiles lors de chocs fait appel à des techniques de plus en plus sophistiquées. Parallèlement, la connaissance du comportement du corps humain soumis à des conditions dynamiques de choc s'étend, par la description sans cesse améliorée des tolérances humaines, des mécanismes lésionnels, voire des propriétés locales des éléments du corps humains.
La synthèse de telles connaissances, et leur mise à la disposition des concepteurs des moyens de protection, se fait grâce à des modèles mathématiques. Les premiers qui ont été développés sont les modèles des mannequins réglementaires de choc. S'ils possèdent d'indéniables avantages, ils restent toutefois limités par leur manque de biofidélité. Le LAB, en collaboration avec le Laboratoire de Biomécanique de l'ENSAM, le Centre Européen d'Etudes de Sécurité et d'Analyses des Risques et le LBSU de l'INRETS, a ainsi entrepris la modélisation d'un être humain, dans le but de créer un outil unique de simulation qui permette la prédiction du comportement dynamique de l'occupant dans toutes les configurations de choc.
La méthode choisie pour développer le modèle s'articule autour de trois thèmes.
a La construction d'une base de données de validation aussi étendue que possible.
b La modélisation et la validation par segments d'un être humain 50° centile en position de conduite.
c L'assemblage du modèle et validation globale de son comportement.
MODELISATION DE LA BOITE CRANIENNE ET DU CERVEAU SOUMIS A UN IMPACT
Rémy. WILLINGER
Laboratoire des Systèmes Biomécaniques
ULP-IMF, UMR CNRS 7507, 2, rue Boussingault, Strasbourg France
Optimiser la protection de la tête au choc implique une bonne connaissance du comportement mécanique de la " structure " à protéger. La présente étude s’intéresse à la modélisation mathématique et physique de la tête humaine, destinée à mieux comprendre les mécanismes de lésions et les limites de tolérance au choc de la tête. Une analyse vibratoire expérimentale de la tête est utilisée comme critère de validation des modèles dans le domaine fréquenciel. A partir de la digitalisation d’un crâne sec une géométrie très réaliste a été obtenue tant pour le crâne que pour le milieu intracrânien, ce qui nous a permis d’élaborer un modèle éléments finis (MEF) 3D de la tête. Basée sur l’état des connaissances des propriétés du milieu osseux, une loi élastique fragile (critère de Tsaï-Wu) a été affectée à la structure composite du crâne. La modélisation de la liaison cerveau-crâne est assurée par un matériau à bas module d’élasticité qui simule la compliance de l’espace subarachnoïdien, conformément à l’analyse fréquencielle de la tête. La matière cérébrale est représentée par un solide viscoélastique de Boltzman. La réponse dynamique du modèle est confrontée à deux types de tests de chocs issus de la bibliographie, les uns s’intéressant aux pressions intracrâniennes, les autres à la fracture du crâne.
Figure 1 : Modèle à paramètres localisés de la tête Figure 2 : MEF 3D de la tête
Craniocephalic injuries constitute an important part of the injuries observed in work or road accidents and their serious results in high financial and social costs. To provide optimum protection of the human head when subjected to a shock requires a thorough knowledge of the "object to be protected". This paper presents the development and the validation of mathematical and physical lumped parameter head models. A 3D finite element human head model intended to make out better the head injury mechanisms and tolerance limits in case of head trauma is then developed. A very realistic three dimensional skull geometry has been obtained by digitalisation of a dry adult skull. Based on the established knowledge of bone mechanical properties, an elastic brittle law (Tsaï-Wu criterion) was attributed to the skull simulated by composite shell elements. The dynamical model response was confronted against experimental impact tests from the bibliography concerning epidural pressure and skull fracture. A real world accident was also reconstructed numerically in order to propose cerebral matter tolerance thresholds in terms of intracerebral stresses. The results of this model validation appear promising and the model could be a powerful tool to predict the aggressiveness level of a head impact.
B. CANAPLE*ƒ , P. DRAZETIC*, D. CESARIƒ
* UVHC LAMIH/LGM UMR CNRS 8530
BP 311 59304 Valenciennes cedex
ƒ INRETS LBSU Case24
25,Avenue F. Mitterand 69675 Bron cedex
Les exploitations statistiques des accidents de la circulation montrent que la tête est encore un des segments corporels le plus vulnérable (Otte, 1996). Si le Head Injury Criterion demeure le critère de la tête utilisé dans le domaine automobile, des moyens sont mis en oeuvre pour le remplacer (Viano, 1996). L’objectif de l’étude présentée est d'analyser la faisabilité d'une nouvelle méthodologie de recherche. Afin d’identifier les mécanismes de blessures de la tête, nous proposons de reconstruire des accidents de la circulation en vue de constituer une base de données " sollicitations mécaniques, blessures cranio encéphaliques ". Par analyse du comportement local de la tête, nous pourrons mieux comprendre les mécanismes lésionnels de la tête, ce qui pourra déboucher sur la proposition d'un nouveau critère biomécanique quantifiant le risque de survenue de ces blessures.
|
figure 1: Plan de l'accident |
figure 2 : Déformations du véhicule impliqué dans l'accident
|
EFFETS DE LA GRAVITE SUR LA SECTION DES VOIES AERIENNES SUPERIEURES CHEZ L'HOMME AU COURS DE VOLS PARABOLIQUES
M. Beaumont, D. Lagarde, R. Fodil*, D. Isabey*, F. Lofaso*, D. TOUCHARD*, A. Harf*, B. Louis*
Institut de Médecine Aérospatiale du Service de Santé des Armées, BP 73, 91223 Brétigny-Cedex
* : INSERM, Unité 492, Faculté de Médecine, 8 rue du Général Sarrail, 94010 Créteil Cedex
et Service de Physiologie-Explorations fonctionnelles, Hôpital Henri Mondor, 94010 Créteil Cedex
- Le pilote de chasse subit fréquemment des accélérations +Gz (accélérations dont les forces d'inertie sont dirigées vers les membres inférieurs). Ces accélérations pourraient induire une obstruction des voies aériennes supérieures (VAS) par un mécanoréflexe d'origine pulmonaire, par un déplacement du volume sanguin lingual et pharyngé ou par effet mécanique direct de la variation de gravité. Pour définir la contribution de ces trois mécanismes, nous avons évalué, respectivement par pléthysmographie à variation d'inductance et par une méthode de réflexion acoustique, le volume pulmonaire en fin d'expiration (EEV) et la surface des VAS chez 6 sujets sains en position assise et couchée au cours de périodes de gravité de 0, 1 et 2 +Gz observées lors de vols paraboliques. Lorsque la gravité augmente de 0 à 2 +Gz, on observe, en position assise, une augmentation de la surface des régions palato-pharyngée et rétrobasilinguale (+30 % et +20 % (p<0.05), respectivement) et de l'EEV de +0.5 l (p <.0.05). Par contre, aucune modification des surfaces de ces régions n'a été constatée en position couchée, malgré une diminution de l'EEV de 0.6 l.. Enfin, la surface laryngée a diminué de 15% (p<0.05) dans les 2 positions avec l'augmentation de la gravité de 0 à 2 +Gz. Au total, les accélérations d'un niveau de 2 +Gz induisent une obstruction laryngée qui ne s'explique pas par une variation des volumes pulmonaires, mais par un effet mécanique direct sur les structures molles de cette région.
EFFECTS OF VARIATIONS IN GRAVITY ON UPPER AIRWAY PATENCY
EVOLUTION DES CONTRAINTES DANS L'AÉRONAUTIQUE DE COMBAT,
CONSÉQUENCES POUR LA RECHERCHE BIOMÉCANIQUE
R. AMALBERTI
IMASSA, Chef du département sciences cognitives, Brétigny-sur-Orge, 91228
L'aéronautique de combat subit une mutation profonde dans ses tactiques et emplois des matériels. Les missions sont (1) plus longues, (2) avec des accélérations moins intenses, mais plus répétitives et sous forte contrainte cognitive associée (complexification des missions), (3) alors même que ces variations sont plus subies que voulues (pilote passage des automatismes de navigation). Le risque de perte de conscience est nettement moins présent, même s'il reste favorisé par la fréquence accrue des phénomènes de push-pull. Le risque de fatigue accumulée est par contre extrêmement accrue, pendant le vol, et au-delà. Ce risque s'exprime par une réduction quasi linéaire des stratégies utilisées par l'équipage en fonction du temps de vol, et conséquemment par une baisse progressive de performance. La fatigue est mal comprise physiologiquement, et compte sans doute des signatures biomécaniques (réduction de l'élasticité du lit vasculaire, souffrances locales, effets cumulés de push-pull répétitifs). Cette nouvelle donne pose des questions originales à la recherche : (1) intérêt pour des phénomènes infraliminaires physiologiques (au sens ou il n'y pas de franchissement de seuil évident, par exemple de perte de conscience ou de lésion), (2) nécessité de mieux articuler la recherche avec les approches cognitives, (3) nouveaux paradigmes expérimentaux à construire. La conférence fait un bilan de cette nouvelle donne technique et scientifique.
ACCELERATION +GZ ET DEBIT SANGUIN CEREBRAL CORTICAL
+GZ ACCELERATION AND CEREBRAL CORTICAL BLOOD FLOW
G. Florence, R. Vallet*, D. Tran, D. Lagarde et J. Seylaz**
IMASSA, BP 73, 91223 Brétigny sur Orge Cedex
* Laboratoire de Médecine Aérospatiale, CEV, 91228 Brétigny sur Orge Cedex
** Unité de Recherches Cérébro-vasculaires, CNRS (UPR 646), 75010 Paris
Afin de déterminer l’origine de la perte de connaissance induite par les accélérations +Gz (PCIA), nous avons utilisé le laser-Doppler associé à un hublot crânien pour mesurer le débit sanguin cérébral (DSC) dans les couches corticales superficielles du lapin puis du macaque rhésus vigiles chez lesquels la PCIA devait être objectivée par l’absence de l’activité électrique corticale. La première étude montre que le lapin ne présente pas de PCIA systématique lorsqu’il est soumis à des accélérations dirigées dans le sens queue-tête inférieures ou égales à 20 G. Elle montre aussi que le DSC cortical est maintenu pendant les accélérations alors que la pression artérielle moyenne (PAM) céphalique est presque nulle. Cette persistance de la perfusion cérébrale corticale peut être due au fait que la baisse de PAM est associée à la baisse concomitante de la pression veineuse cérébrale et/ou de la pression du liquide céphalo-rachidien. L’expérience réalisée avec le macaque rhésus mâle adulte est actuellement en cours d’exploitation mais suggère déjà que la PCIA apparaît en moins de 30 s chez 5 animaux sur 6 soumis à +12 Gz. D’autre part, le DSC cortical ne paraît pas baisser de façon significative lorsque l’animal ne perd pas connaissance (2, 3 et 4 Gz) alors que l’oxygénation du tissu cérébral diminue déjà. En revanche, une décroissance importante du DSC cortical semble exister en cas de PCIA. Cette seconde étude serait la démonstration directe de l’origine ischémique de la PCIA.
In order to study the mechanisms of the G-induced loss of consciousness (G-LOC) we applied the laser-Doppler flowmetry to nonanesthetized rabbits and rhesus monkeys equipped with a cranial window. This original technique allowed to determine cerebral blood flow (CBF) in the superficial layers of the cortex of animals in which G-LOC was assessed by the suppression of the electrical cortical activity. The first study showed that rabbits did not systematically loose consciousness when exposed to head-to-tail directed accelerations lower or equal to 20 G. It also showed that cortical CBF was maintained during acceleration whereas cephalic mean arterial blood pressure (MABP) was very low. The simultaneous decrease in cerebral venous pressure and/or in cerebrospinal fluid pressure may account for this persistance of cortical CBF even when MABP is very low. The experiment carried out with adult male rhesus monkeys is under processing but already shows that G-LOC occurred in less than 30 s in 5/6 animals exposed to 12 Gz. Furthermore it suggests that cortical CBF is not significantly decreased when the monkeys do not loose consciousness (2, 3 and 4 Gz). In contrast, the oxygenation of the cerebral tissue seems lowered in these cases. A drastic decrease in cortical CBF is obvious when G-LOC occurs. This preliminary result favours the ischemic origin of G-LOC.
MODELISATION DU CERVEAU SOUS HYPERGRAVITE.
MODELING OF THE BRAIN UNDER HYPERGRAVITY
A. Guillaume, D. Osmont, D. Gaffié,
C. Lempereur, J.M. Mathé, J.C. Sarron et P. Quandieu
IMASSA BP 73 91223 BRETIGNY sur ORGE Cedex
en collaboration avec l'ONERA
:
Pour essayer de mieux appréhender les mécanismes mis en jeu dans la perte de connaissance sous accélération +Gz, une étude biomécanique s'intéresse au comportement mécanique de l'encéphale sous hypergravité et aux perturbations de l'écoulement sanguin au niveau de la circulation cérébrale. L'évaluation des contraintes intracérébrales sous facteur de charge est obtenue grâce au couplage d'une expérimentation réalisée sur des cerveaux animaux en centrifugeuse avec une modélisation aux éléments finis. Il est alors mis en évidence une augmentation des contraintes de compression à la base des hémisphères et du cervelet et une augmentation des contraintes de traction et de cisaillement au voisinage de l'incisure de la tente du cervelet. Ces contraintes peuvent être assimilées à des forces surfaciques qui tendent à collaber la paroi des vaisseaux. Elles sont donc importantes à prendre en compte dans la modélisation de la circulation cérébrale.
Dispositif expérimental permettant de filmer
les déformations des cerveaux sous hypergravité.
In order to have a better understanding of the mechanisms inducing loss of consciousness under Gz accelerations, a biomechanical study has examined the mechanical behaviour of the brain and disturbances of blood flow in the cerebral vascular network under hypergravity. The evaluation of brain stresses under load was able to be achieved through coupling an experiment on animal brains in centrifuge using a finite element model. The results show an increase in compression stresses at the base of the hemispheres and the cerebellum and an increase in traction stresses and shear stresses in the vicinity of the incisura of the cerebellum tentorium. The stresses can be assimilatd to surfacic forces, tending to collapse vessels. So, it is important to take them into account when considering the modeling of blood flow in the cerebral vascular network.
APPROCHES BIOMECANIQUES DE LA PERTE DE CONNAISSANCE
EN VOL DES PILOTES D’AVIONS DE CHASSE
D.Gaffié(*), A. Guillaume(**), D. Osmont(*) et P. Quandieu(**)
* ONERA, 29 avenue de la Division Leclerc, BP 72, 92322 Châtillon cedex
** IMASSA/CERMA, 91228 Brétigny sur Orge
La perte de connaissance en vol des pilotes d'avions de chasse ou PCEV est un phénomène bien connu. On admet généralement que son origine est une hypoxie cérébrale résultant de l'accumulation du sang dans les vaisseaux fortement distensibles des territoires veineux. La diminution de la perfusion sanguine cérébrale induite par l'effet du facteur de charge conduit à l'apparition de prodromes visuels (voiles gris et voiles noir) qui peuvent être suivis d'une perte de connaissance en vol si les mécanismes de régulation de la pression artérielle n'opèrent pas suffisamment rapidement. Quand le facteur de charge est appliqué rapidement, la symptomatologie est quelquefois modifiée La perte de connaissance peut apparaître immédiatement (sans apparition des prodromes visuels) et peut s'accompagner d'une amnésie lacunaire du pilote. Cet article décrit une approche originale développée dans le but de mieux appréhender les effets des accélérations sur le comportement de l'écoulement sanguin dans le réseau vasculaire cérébral. Le modèle présenté est fondé sur le couplage d'une formulation unidimensionnelle des équations de la Mécanique des Fluides et d'une approche statistique permettant de traiter le lit capillaire comme un milieu poreux. Les résultats numériques montrent que les phénomènes instationnaires dus à l'action concomitante de la pompe cardiaque et des perturbations extérieures induites par le mouvement de l'avion peuvent être à l'origine de la survenue de collapsus veineux qui limitent la progression du sang vers la base du corps.
|
|
|
|
Le Rafale : Avion d’armes de la nouvelle génération développe des accélérationsde forte intensité, de longue durée, dans un temps d’installation très court. |
Représentation
schématique du réseau vasculaire
|
THEORETICAL STUDIES OF INFLIGHT LOSS OF CONSCIOUSNESS
OF THE FIGHTER PILOTE
In-flight fighter pilot loss of consciousness (LOC) is a well known phenemcnon. It is generally admitted that the origin of this LOC is brain hypoxia resulting from blood pooling in highly distensible lower limb veins. The decrease of brain blood perfusion produces grey-out, followed by black-out, and sometimes LOC if arterial pressure regulatory mechanisms do not rapidly set into action. When the load is applied quickly, the LOC syndrome is sometimes modified LOC could appear immediately (without grey-out and black-out) and is often associated with lacunar amnesia. This paper describes an original model developed in order to study the effects of acceleration on the behaviour of blood flow in the cerebral vessel network. This new model is based on the coupling of an one-dimensional formulation of the fluid dynamics equations and a statistical approach which allows the microcirculation region to be treated as a porous medium. The numerical results show that unsteady phenomena due to the concomitant action of heart work and external disturbances induced hy the aircraft motions can produce a veinus collapsus limiting the progression of the blood to the base of the body.
ARTICLES LIBRES
METHODES EN DYNAMIQUE NON LINEAIRE DES ROTORS POUR L'ETUDE DU COMPORTEMENT D'UN MOTEUR D'AVION
REVIEW OF THE NON LINEAR ROTOR DYNAMIC METHODS TO STUDY THE BEHAVIOUR OF AERO ENGINES
Jérôme BONINI, Marc BERTHILLIER
SNECMA, Département Méthodes – YLED, F-77550 Moissy-Cramayel
Cet article présente une synthèse des méthodes utilisées lors de calculs éléments finis en dynamique des rotors. Un moteur d'avion présente la spécificité de posséder des stators déformables non symétriques nécessitant une modélisation tridimensionnelle. Les techniques de sous structuration sont nécessaires pour réduire la taille des modèles. Différents types de calculs sont réalisés : les vitesses critiques permettant de déterminer les phases de stabilité du rotor, la réponse harmonique à un balourd modéré, et la réponse transitoire dans le cas d'événements instationnaires comme la perte d'aube. Ces deux derniers cas mettent en jeu des non-linéarités géométriques (contacts).
This paper presents a review of the finite elements techniques used for rotor dynamic problems. An aeroengine has non symmetric deformable casings and needs a 3D meshing. Substructuring techniques are used to reduce the size of the modelling. Three kinds of calculations are performed. The first one concerns the critical speeds, the second one is about the non linear harmonic response to a moderate unbalance, and the last one deals with the transient response of blade off events (contact problems).
ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE L’ECOULEMENT DIPHASIQUE DANS LES POMPES CENTRIFUGES
F. BAKIR, P. WEISS, R. REY, R. NOGUERA
LEMFI-UPRES Associée au CNRS 7067 - Site PARIS
ENSAM-151, Bd de l’Hôpital 75013 Paris, France
Cet article traite de la modélisation des écoulements diphasiques dans les pompes centrifuges. Nous présentons d’abord la méthode utilisée pour déterminer dans la roue centrifuge les champs de vitesse et de pression monophasiques aube à aube.
Nous introduisons ensuite la phase gazeuse qui, dans les écoulements que nous proposons d’analyser, constitue la phase perturbatrice de l’écoulement principal. La bibliographie disponible sur le sujet présente les efforts régissant la cinématique d’une bulle de gaz soumise à un champ de vitesse donné. On déterminera ainsi les trajectoires de différentes bulles se présentant à l’entrée de la pompe. Les résultats de la modélisation montrent une accumulation des bulles sur la face en pression des pales. Cette accumulation favorise la formation d’une poche de gaz à l’origine de la chute des performances hauteur-débit et du phénomène de désamorçage.
L’effet de la présence de gaz sur les caractéristiques globales de la pompe est mis en évidence par l’apparition d’une perte spécifique que nous caractériserons par un coefficient adimensionnel K, dépendant notamment de la concentration en gaz. Les essais expérimentaux menés sur une pompe centrifuge de vitesse spécifique égale à 14 valident qualitativement cette modélisation.
Vue 3D de la roue centrifuge de nsq=14.
Theoretical and experimental study of two-phase flow in centrifugal pumps
This article deals with the modeling of two-phase flow in centrifugal pumps. First we will present the method employed to determine the monophasic velocity and pressure fields in the blade to blade surface of a centrifugal impeller.
The second stage will take into accountl the gas phase which, in the type of flows which we propose to analyze, constitutes the disturbing phase of the principal flow.
The literature available on this topic describes the forces acting on a gas bubble in a given velocity field. We can thus determine the trajectories of the different bubbles present at the pump inlet. The results show a bubble accumulation over the pressure side of the blades. This accumulation leads to the formation of a gas pocket which is responsible for the loss in the head-flow rate performance and the stall phenomenon.
The effect of gas presence on the overall characteristics of the pump, becomes obvious by the apparition of a specific loss that we will characterize by a nondimensional coefficient K, depending in particular on the gas concentration. The experimental tests carried out on a centrifugal pump with specific speed of 14 has qualitatively confirmed this model.
A MODIFIED CT SPECIMEN (CTT) FOR CRACK INITIATION AND PROPAGATION
CHARACTERISATION UNDER THERMAL SHOCK
M.H. LACIRE S.CHAPULIOT M.NEDELEC
CEA, DRN/DMT/SEMT/LISN CEA , DRN/DMT/SEMT/LISN CEA/IPSN, DES/SAMS
Saclay,France Saclay, France Fontenay aux Roses, France
Cet article, présente la proposition d'un nouveau type d'essai pour caractériser l'amorçage et la propagation des fissures sous chargement de choc thermique. Très novateur par son principe, il présente l'intérêt d'être réalisable sur des éprouvettes de mécanique de la rupture de laboratoire (éprouvette CT) et nécessite peu de moyens expérimentaux.
Dans un premier temps, une série de deux essais de faisabilité entre 400 'C et 20 'C réalisée au laboratoire et son interprétation numérique sont présentées. Cette première étude montre les intérêts majeurs de l'essai qui sont, d'une part, d'amorcer puis propager une fissure et, d'autre part, d'être reproductible par le calcul. Dans un second temps, une étude de faisabilité pour des températures plus basses (entre 20 'C et -196 'C) est présentée. Elle montre que cet essai sur éprouvettes CTT peut permettre l'analyse de la nocivité des chocs thermiques au voisinage de la température de transition de comportement (fragile - ductile).
This article presents the proposition of a new type of tests to characterize the crack initiation and crack propagation under thermal shock. The main advantage of this test is to use a simple modified compact test specimen.
In a first part, two thermal shocks performed in the laboratory between 400°C and 20°C and their numerical analysis are presented. This first study shows the ability of the test to initiate and propagate a crack which can be well predicted by a numerical analysis.
In a second part, a preliminary analysis for thermal shock at lower temperatures (between 20°C and -196°C) is presented. It shows that this simple modified CT specimen allows also the study of thermal shock effects near the ductile/brittle transition temperature of the material.
Géométrie de l'éprouvettexit
ANALYSE EXPERIMENTALE DU MODE DE DEFORMATION D’UNE SURFACE EN FONCTION DE SA RUGOSITE
M. DURSAPT, P. LYONNET, H. ZAHOUANI,
L.T.D.S, U.M.R. 55 13, École nationale d’ingénieurs de Saint-Etienne
58, rue Jean Parot 42023 Saint-Etienne Cedex 02.
Il est couramment admis depuis les travaux de Greenwood et Williamson [1] que les caractéristiques morphologiques d’une surface, et notamment sa rugosité, interviennent conjointement avec les caractéristiques mécaniques du matériau qui la supporte dans le mode de déformation de cette surface. L’étude présentée ci-dessous met en évidence, de façon expérimentale, la répartition des énergies élastiques et plastiques, lorsqu’une surface est soumise à des sollicitations mécaniques, en fonction de son état de surface.
EXPERIMENTAL ANALYSES OF THE DEFORMING MODE OF A SURFACE IN FUNCTION OF ITS ROUGHNESS.
Since Greenwood and Williamson’s works, we usually admited that morphologies properties of a surface, especially its roughness, interferes in combination with the mechanicals properties of the materials which support it, in the mode of this surface deformation. The following study highlights, in the experimental way, the breakdowns of plastics and elastics energies, when a surface is submitted from mechanical action, in function of its state surface.
Schéma de fonctionnement de la machine d’indentation.
