Étude biomécanique de la protection de la tête au hockey

Kerspern, Valentin (2016). Étude biomécanique de la protection de la tête au hockey. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le hockey est un sport où la protection de la tête revêt une importance particulière. Ces dernières années, une prise de conscience des lésions que pouvaient entraîner une exposition fréquente à des chocs au niveau de la tête a eu lieu dans l’ensemble de la communauté du hockey, les joueurs de tous niveaux, les partisans, les ligues et les équipementiers. Afin de limiter la transmission de ces traumatismes au cerveau, des études neurologiques ont mis en lumière la probable responsabilité de l’accélération linéaire et de l’accélération angulaire dans les commotions cérébrales.

Le bureau d’étude de Reebok-CCM Hockey cherche à optimiser le design de leur casque, au travers de la géométrie et des matériaux utilisés, pour réduire les accélérations ressenties à la tête. Cependant, il est difficile d’établir un lien entre les choix de conception et les résultats expérimentaux aux tests d’impact. Une des causes de cette difficulté est le manque d’information sur les matériaux et la pauvreté des données fournies par les fabricants.

Afin de répondre à ces problématiques, le développement d’un modèle par éléments finis paramétré du complexe tête-cou-casque qui servira de support à la conception et à l’évaluation de nouveaux casques de hockey a été envisagé. Ce projet est une étude de faisabilité du développement d’un tel outil.

Les objectifs spécifiques de ce projet préliminaires sont donc de :
1. Caractériser expérimentalement les mousses de protection utilisées dans un casque de hockey en situation d’impact;
2. Développer et valider un modèle par éléments finis paramétré d’une couche de mousse de protection en situation d’impact;
3. Évaluer le comportement d’un modèle par éléments finis tête-cou du mannequin HYBRID III.

Pour répondre au premier objectif, un banc d’essai expérimental de type puits de chute a été exploité et a permis de déterminer les courbes contrainte-déformation de sept types de mousses de protection soumises à un impact. Deux mousses (EPP et VN602) ont fait l’objet d’un plan d’expérience et six paramètres caractéristiques ont été relevés afin d’établir leur comportement et sa dépendance à la vitesse d’impact. Par ailleurs, des essais en chargement combiné compression-cisaillement ont été entrepris et ont permis d’établir une preuve de principe. Le second objectif a conduit au développement d’un MÉF paramétré du comportement mécanique des mousses de protection soumis à des sollicitations dynamiques. Ce modèle a été validé par comparaison avec les données recueillis expérimentalement. Enfin, le troisième objectif a été abordé en reproduisant par la simulation des impacts expérimentaux sur le complexe tête-cou du mannequin HYBRID III. Une corrélation existe entre les résultats d’accélération linéaire et angulaire expérimentaux et numériques, ce qui permet d’établir des comparaisons relatives. En revanche, l’équivalence entre les résultats numériques et expérimentaux n’a pu être montrée et des investigations futures devront permettre d’éclaircir ce point.

En conclusion, cette étude a permis, d’une part, de caractériser le comportement dynamique des mousses de protection et, d’autre part, de montrer la faisabilité de modéliser leur comportement. L’évaluation du comportement du MÉF du mannequin HYBRID III doit être poursuivie afin de donner pleine confiance dans la faisabilité de développer un MÉF paramétré du complexe tête-cou-casque qui servirait de support à la conception et à l’évaluation de nouveaux casques de hockey.

Titre traduit

Biomechanical study of the head protection in ice hockey

Résumé traduit

Head protection is of major interest in contact sport such as ice hockey. In the past few years, an awareness about the damages induced by a frequent exposure to head shocks raised within the ice hockey community: players of any level, fans, leagues and equipment manufacturers. To limit the ransmission of these traumas to the brain, neurological studies have highlighted the role of the linear and the angular acceleration as being likely responsible for concussions.

The engineering team of Reebok-CCM Hockey tries to optimize the design of their helmet, through the geometry and the materials, to reduce the accelerations of the head. However, it is difficult to establish a link between the design choices and the experimental results of the impact test. One of the causes of this difficulty is the lack of information about materials and poverty of the data supplied by the manufacturers.

To answer these problems, the development of a parameterized FEM of a helmeted head which will be of use as support to design and evaluate new hockey helmets has been considered. This project is a feasibility study on the development of this model.

Thus, the specific objectives of this preliminary project are:
1. To characterize the properties of the helmet protective foams under dynamic loading;
2. To develop and validate a parameterized finite element model of a foam layer under shear and compression loading;
3. To evaluate the behavior of a head-neck HYBRID III dummy finite element model.

To meet the first objective, an experimental testing system was used to determine the stress-strain curves of seven different types of protective foams submitted to impacts. A design of experiment was realised with two foams (EPP and VN602) and six characteristic parameters have been identified to establish the foam behavior and its strain rate dependency. Besides, shear-compression combined loading tests have been realised and led to a proof of principle. The second objective led to the development of parameterized FEM of the protective foams mechanical behavior under dynamic conditions. The models were validated with respect to experimental data. Finally, the third objective was fulfilled by numerically reproducing experimental impacts to the head-neck HYBRID III dummy. A correlation exists between experimental and numerical linear and angular accelerations, which allows a relative comparison. However, the equivalence between experiments and simulations has not been fully proven and future investigations will be needed to clear up this point.

In conclusion, this study allowed, on one hand, to characterize the dynamic behavior of protective foams and on the other hand, to show the feasibility to model their behavior. The evaluation of the HYBRID III FEM behavior must be pursued to give full confidence in the feasibility of developing such a parameterized FEM of a helmeted head which will be of use as support to design and evaluate new hockey helmets.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise en génie concentration technologie de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 143-148).
Mots-clés libres:	mousse de protection, caractérisation expérimentale, modélisation par éléments finis, casque de hockey
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Petit, Yvan
Codirecteur:	Codirecteur Wagnac, Éric
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	03 avr. 2018 20:47
Dernière modification:	01 mai 2023 14:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1682

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