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Comportement viscoélastique à grande déformation des composites élastomères : textile utilisés dans les équipements de protection

Harrabi, Lotfi (2009). Comportement viscoélastique à grande déformation des composites élastomères : textile utilisés dans les équipements de protection. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le port de gants de protection permet de diminuer le nombre el la gravité des lésions aux mains. mais ces gants sont souvent trop épais et/ou trop rigides. L' utilisation de ces gants mal adaptés se traduit par un effort musculaire accru pour faire une même tâche, ce qui limite leur utilisation par les travailleurs. Présentement, il existe des tests normalisés permettant de quantifier la souplesse des textiles. Cependant, les tests mécaniques de ce type ne peuvent pas être utilisés pour caractériser la souplesse des gants et encore moins tenir compte de l'effet possible joué par l'interface main-gant sur la souplesse telle que ressentie par les sujets. Le but principal de cette étude est de caractériser dans un premier temps la souplesse des gants de protection sélectionnés de manière à couvrir un large éventail de degrés de souplesse (plus souple au plus rigide) et d'étudier le comportement mécanique des matériaux de protection dans un deuxième temps.

En ce qui concerne l'étude de la souplesse des gants, deux nouvelles méthodes mécaniques sont proposées dans ce travail:

• La première méthode, appelée ici méthode multidirectionnelle, est présentée dans l'article 1 de cette thèse. Les résultats issus de cette méthode ont été comparés à ceux du test KAWABATA ainsi qu'un test de perception impliquant des sujets humains. Ils ont également été validés par un test biomécanique dans le cadre du projet rRSST 099-376. Des corrélations élevées ont été obtenues entre le test multidirectionnel et les deux critères obtenus chez les sujets humains, ce qui suppose que le rôle joué par l'interface main-gant n'est pas très important, du moins pour le type de tâche étudiée. Le test multidirectionnel démontre les meilleures corrélations avec les tests de perception et biomécanique, comparativement à la méthode Kawabata. Ces corrélations sont si élevées (r > 0.88) qu' il est possible de conclure que le test biomécanique n'est pas nécessaire pour bien caractériser la souplesse des gants. Quelques facteurs peuvent expliquer le fait que la méthode multidirectionnelle caractérise la souplesse des gants de protection de manière plus proche de ce qui est mesuré avec les sujets humains par rapport à laméthode Kawabata. D'une part, elle soumet les gants à des déformations multidirectionnelles, qui simulent de manière plus réaliste les conditions d'utilisation réelles des gants, alors que la technique Kawabata applique des flexions uniaxiales. D'autre part, elle teste les gants dans leur intégralité, c'est-à-dire que les mesures de souplesse sont faite s sur les deux épaisseurs paume et dos en même temps. En résumé, cette étude est la première à valider des tests mécaniques de souplesse de gants de protection avec des critères obtenus chez des sujets humains. Us démontrent qu'il est possible de prédire les effets qu'a un gant rigide sur la fonction musculaire à partir d'un nouveau test mécanique, le test multidirectionnel, réalisé sur des échantillons de gants.

Ce test, en plus d'apporter essentiellement la même nformation que les tests avec sujets humains, est beaucoup plus simple, requiert moins de ressources (moins coûteux) car moins sujet aux variations dans les mesures, et est plus sensible aux différences fines en terme de souplesse.

• La deuxième méthode, appelée ici méthode fixée, est présentée dans l'article 2 de cette thèse. Elle permet l'évaluation de la souplesse des gants de protection portés serrés sur les mains en reproduisant les déformations biaxiales largement présentes dans ce type de gant de protection en cours d'utilisation. Les résultats théoriques issus du formalisme de Mooney-Rivlin dans le cas des élastomères sont en très bonne corrélation avec l'expérimentation.

En ce qui concerne l'étude du comportement mécanique des matériaux de protection, nous nous sommes intéressé particulièrement au comportement viscoélastique de ces matériaux à des grandes déformations lors d'un cycle charge-décharge. Les modèles développés ici sont basés sur l'utilisation du modèle rhéologique de Zener pour pouvoir prédire ce comportement à différentes vitesses dans le cas des matériaux élastomères (article 3) et des matériau/(textiles (article 4). Les résultats qui ont été trouvés montrent une bonne corrélation entre la modélisation et l'expérimentation. L'utilisation des modèles proposés dans cette étude permet de prédire l'effort nécessaire ainsi que l'énergie à dissipée pour accomplir une certaine tache à une vitesse donnée.

Titre traduit

Viscoelastic beha vior at large deformation of elastomer textile composite used in protection equipments

Résumé traduit

Wearing protective gloves can reduce the occurrence of injuries, but it often involves additional muscular constraints and reduced dexterity which are related to the glove material stiffness. As a consequence, workers may choose not to wear protective gloves, exposing themselves to high risks of hand injuries. Several mechanical test methods have been used for characterizing film and fabric flexibility. However, must of them are based on uniaxial bending, which may not be representative of the type of solicitations suffered by a glove in usage. Moreover, they don't take into account the hand-glove interface which may change according to hand fitting. the main purpose of this study is to characterize in the first lime the flexibility of protective gloves covering a broad range of stiffness. In the second instance, the viscoelastic behaviour of protection materials such as elastomer and textile at large defonnation is modelled using Zener rheological model.

Concering the study of the protection gloves stiffness, two mechanical methods are proposed in this work:

• The first one is the multidirectional test method, inspired from the ASTM D 4032 standard method, which allows for the measurement of protective gloves stiffness. This new method is described in article 1 as the free-deforming multidirectional technique and has been used to measure the stiffness of twenty eight models of protective gloves. For a comparison. the stiffness of these gloves was also characterized by the KESF along both directions (longitudinal and transversal).

The stiffness measurements provided by both mechanical methods, the developed freedeforming multidirectional technique and the KESF, have been compared to the results of a psychophysical evaluation test in which human subjects had to rank the gloves according to their stiffness. They were also compared to the biomechanical results in the project IRSST 099-376. The analysis of the correlations between the glove stiffness measurements produced by the two mechanical test methods and the results of the psychophysical and biomechanical evaluation tests shows a much better agreement with the free-defonning multidirectional method. which indicates that this method describes much more c1osely the stiffness of protective gloves as wearers perceive it. This can be attributed to the multidirectional deformations applied to the glove during the test, which better simulate the deformations subjected to gloves in service. Two additional practical advantages of the free-defonning multidirectional technique should be mentioned: first, it is very easy to implement, the simple set-up of probe and drilled plate being inserted in a mechanical test frame with limited requirements in terms of load capacity. Second, this method is non destructive, especially since the glove is defonned only through a lO-mm course of the probe. This new method should prove as a valuable tool for protective glove manufacturers in their search for improving their product quality, allowing for the characterizalion of their existing products in terms of stiffness and for the development of new ones better fitting workers' needs.

• The second method, called here the fixed technique, is presented in the second paper of this work. It characterizes the flexibility of gloves that are worn tight fitted. Its validity was theoretically verified for elastomer materials.

Conceming the study of the viscoelastic behaviour of protection materials such as elastomer and textile at large deformation, two non linear rheological models are proposed in papers 3 and 4 of this work. Both of them are based on Zener model. A validation of the description was performed with nitrile rubber and textile fabric in the case of a loading-unloading hysteretic loop. A good agreement of the theoretical description with experimental results was obtained. This simple description of the hysteretic behaviour of elastomers and textiles as a function of the strain rate provides a useful tool for estimating the dissipated energy at various strain rates, with potential application in the design of protective gloves.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [128]-132.
Mots-clés libres: Textiles et tissus élastiques. Viscoélasticité. Élastomères. Gants de protection. Sécurité du travail Appareils et matériel. comportement, Kawabata, mécanique, Mooney-Rivlin, souplesse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Vu-Khanh, Toan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Ngô, Anh Dung
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 11 déc. 2013 15:48
Dernière modification: 06 janv. 2017 02:02
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1244

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