Développement d’un outil d’assistance numérique pour la conception des casques de hockey : étude de faisabilité

Desrosiers, Jean-Michel (2018). Développement d’un outil d’assistance numérique pour la conception des casques de hockey : étude de faisabilité. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les commotions cérébrales dans le sport, notamment au hockey sur glace, font l’objet, depuis quelques années, d’une grande attention du public. Il y a eu une réelle prise de conscience à tous les niveaux en passant des professionnels aux amateurs et des partisans aux parents de jeunes joueurs sans oublié les ligues de hockey et les équipementiers. Une exposition fréquente à ce type de blessure entraîne souvent de graves conséquences sur la santé neurologique. Fort de ces constats, certaines études ont attribué la responsabilité de ces traumatismes aux accélérations linéaires et angulaires ressentit par le cerveau lors d’un choc violent.

CCM Hockey cherche à diminuer les accélérations à la tête en optimisant le design de leurs casques qui passe au travers du choix de la géométrie et des matériaux. Il est cependant difficile d’établir la relation entre ces choix de conception et les résultats des accelerations mesurées expérimentalement lors de tests d’impacts. La pauvreté des données fournies par les fabricants de ces matériaux est notamment l’une des causes de cette difficulté. De plus, le processus actuel de conception chez CCM Hockey, soit par itérations, ne permet pas de pallier ces manques en plus d’être onéreux et chronophage.

Le développement d’un modèle par éléments finis paramétré d’un complexe tête-cou équipé d’un casque a donc été considéré. Ce modèle reproduira les essais expérimentaux realizes chez CCM Hockey. L’objectif de cette étude est donc d’évaluer la faisabilité de l’utilisation d’un tel outil dans le développement de nouveaux casques.

Les objectifs spécifiques de ce projet préliminaires sont donc:
OS I : Caractérisation expérimentale des mousses de protection;
OS II : Modélisation et validation expérimentale de la mousse de protection;
OS III : Validation du modèle numérique du mannequin H350 fourni par Altair;
OS IV : Développement du modèle par éléments finis du complexe tête-cou-casque;
OS V : Validation expérimentale du modèle par éléments finis du complexe tête-coucasque.

Afin de répondre au premier objectif, deux bancs d’essai, soit une machine servo-hydraulique et un puit de chute, ont été utilisés afin d’obtenir les courbes contrainte-déformation en compression pure, à vitesses constantes et à hautes vitesses respectivement, de la mousse VN602. Cinq paramètres extraits de ces courbes ont permis de comparer ces dernières entres elles et d’établir la dépendance du comportement de la mousse VN602 par rapport au taux de déformation auquel elle est soumise. Un MÉF de ces bancs d’essais a été utilisé pour reproduire numériquement les essais expérimentaux. Ce dernier comprenait notamment une loi de comportement choisi pour représenter la mousse VN602. Cette loi était alimentée par les courbes expérimentales à différents taux de déformation extraites du premier objectif. En troisième objectif, des simulations d’impacts ont été réalisés sur le modèle numérique du mannequin Hybrid III 50e percentile (H350) reproduisant des essais expérimentaux realizes en laboratoire chez CCM Hockey. Les écarts trop importants et l’absence de corrélation entre les résultats expérimentaux et numériques font en sorte que le modèle n’a pas pu être validé. L’utilisation d’un modèle alternatif, soit avec la tête NOCSAE, a dont été utilisé pour la suite du projet. Cependant, le modèle devra être validé ultérieurement. En ce sens, comme quatrième et cinquième objectifs, un modèle tête-cou-casque a été développé et soumis à des impacts. Également, les simulations reproduisaient des essais réalisés en laboratoire. Les résultats numériques ont pu démontrer que le modèle représentait adéquatement son homologue physique du point de vue des accélérations linéaires, mais l’écart est plus important en termes d’accélérations angulaires. L’ajustement de la loi de comportement de la mousse ainsi qu’une investigation sur certaines propriétés physiques de la tête NOCSAE est nécessaire dans un projet ultérieur.

En conclusion, ce mémoire a permis, d’une part, de caractériser le comportement de la mousse VN602 en respect de la dépendance qu’elle démontre aux taux de déformation et, d’autre part, de montrer la possibilité de modéliser ce comportement. Le modèle par elements finis du H350 ne peut être utilisé dans les conditions désirées. Cependant, l’élaboration et l’utilisation d’un modèle par éléments finis d’un complexe tête NOCSAE-cou H350 équipé d’un casque a permis de démontrer la faisabilité de l’utilisation d’un outil pour la conception et l’évaluation de nouveaux casques de hockey.

Titre traduit

Development of a numerical assistance tool for the design of hockey helmets : feasibility study

Résumé traduit

Concussions in sports, especially ice hockey, have been the subject of great public concern in recent years. There has been a real awareness at all levels from professionals to fans and supporters to parents of young players including hockey leagues and equipment manufacturers. Frequent exposure to this type of injury often has serious consequences for neurological health. Based on these findings, some studies have attributed the responsibility for these traumas to the linear and angular accelerations the brain undergoes during a violent shock.

CCM Hockey seeks to reduce head accelerations by optimizing the design of their helmets which passes through the choice of geometry and materials. However, it is difficult to establish the relationships between these design choices and the accelerations measured experimentally during impact tests. The poverty of the data provided by the manufacturers of these materials is one of the causes of this difficulty. In addition, the current design process at CCM Hockey, by iteration, does not make up for these shortcomings in addition to being expensive and time consuming.

The development of a parameterized finite element model of a head-neck complex equipped with a helmet was therefore considered to replicate the experimental tests conducted at CCM Hockey. The objective of this study is therefore to evaluate the feasibility of using such a tool in the development of new helmets.

The specific objectives of this preliminary project are therefore:
OS I: Experimental characterization of protective foams;
OS II: Modeling and experimental validation of the protective foam;
OS III: Validation of the H350 manikin digital model provided by Altair;
OS IV: Development of the finite element model of the head-neck-helmet complex;
OS V: Experimental validation of the finite element model of the head-neck-helmet complex.

In order to meet the first objective, two test benches, a servo-hydraulic machine and a drop tower, were used to obtain the stress-strain curves in pure compression, at different loading speeds for the VN602 foam. Five parameters extracted from these curves were used to compare them and to establish the dependence of the behavior of the VN602 foam in relation to the strain rate. An FEM from these test benches has been used to numerically reproduce the experimental tests. The latter was included in a constitutive law chosen to represent the VN602 foam. This law was completed by adding the experimental curves at different strain rates extracted from the first objective. In the third objective, impact simulations were performed on the FEM of the 50th percentile Hybrid III (H350) manikin reproducing experimental laboratory tests at CCM Hockey. Excessive discrepancies and lack of correlation between experimental and numerical results showed that the model is not validated. The use of an alternative head model, the NOCSAE head, was used for the rest of the project. However, the model must be validated later. In the fourth objective, a head-neckhelmet model has been developed and subjected to impacts. Simulations also reproduced laboratory tests. The numerical results showed that the model adequately represents its physical counterpart in terms of linear accelerations, but the difference is larger in terms of angular accelerations. The adjustment of the behavior law of the foam as well as an investigation on certain physical properties of the NOCSAE head is necessary in a future project.

In conclusion, this project allowed, on the one hand, to characterize the behavior of the VN602 foam in respect of the dependence it demonstrates to strain rates and, on the other hand, to demonstrate the possibility of modeling this behavior. The finite element model of H350 cannot be used under the conditions to which it is subjected. However, the development and use of a finite element model of a NOCSAE head- H350 neck-helmet complex has demonstrated the feasibility of using such tool for design and evaluation of 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 211-218).
Mots-clés libres:	mousse de protection, caractérisation expérimentale, complexe tête-cou, modélisation par éléments finis, casque de hockey
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Wagnac, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	01 mai 2023 14:31
Dernière modification:	01 mai 2023 14:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2086

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