Simulation de collision frontale dans laquelle le modèle humain THUMS™ v5.01 a des muscles tendus. Par contraction musculaire active, le modèle THUMS saisit le volant et les accolades pour l'impact, ce qui atténue potentiellement le stress sur la cage thoracique. Les octaèdres colorés visualisent les différents points de fixation de la ceinture de sécurité modélisée. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
D'innombrables personnes meurent chaque année dans des accidents de la route. Pour améliorer la sécurité des occupants du véhicule, il est d'usage depuis des décennies d'effectuer des crash-tests à l'aide de mannequins. Ces mannequins de crash-test bénéficient de plus en plus d'un support virtuel sous la forme de modèles informatiques qui simulent le comportement défensif des humains avant une collision. Chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la dynamique à grande vitesse, Ernst-Mach-Institut, Les EMI font partie de ceux qui utilisent des modèles virtuels de corps humain dans les simulations de crash, qui donnent des conclusions plus réalistes sur le risque de blessure. Dans leurs calculs, les chercheurs se concentrent particulièrement sur la raideur musculaire, qui n'a pas été pris en compte dans les enquêtes précédentes.
Les occupants du véhicule prennent instinctivement des mesures défensives pour se préparer à l'impact. Ils contractent leurs muscles et, dans le cas du conducteur, se caler contre le volant tout en gardant le pied appuyé sur la pédale de frein. Ce comportement influence l'issue de l'accident. Parce que les mannequins de crash-test conventionnels sont incapables de réagir à un crash imminent, ils ne peuvent pas être utilisés pour modéliser le comportement humain. Dans le secteur automobile, donc, les modèles informatiques numériques sont de plus en plus utilisés dans les simulations par éléments finis (EF) afin de reproduire la posture des occupants peu avant un accident et ainsi améliorer la sécurité des automobiles. "Le système musculaire a une grande influence sur la façon dont un occupant du véhicule réagit peu de temps avant un accident et sur les mouvements du corps pendant l'accident. Il peut y avoir des divergences critiques par rapport aux mannequins de crash-test rigides et cinématiquement restreints, " dit le Dr Matthias Boljen, scientifique à Fraunhofer EMI.
L'ingénieur et son équipe utilisent des modèles numériques de corps humain dans le cadre de simulations par éléments finis. Dans les tests FE les plus récents, ils se sont concentrés sur la raideur musculaire lors de l'évaluation de la sécurité des occupants. Les chercheurs ont étudié les effets des changements de raideur musculaire sur la cinématique des occupants, ce qui signifiait innover dans le domaine scientifique. Des recherches antérieures avaient uniquement simulé la génération de mouvements par contraction musculaire dans des modèles humains, mais pas la raideur musculaire qui va de pair avec la contraction. "Si un conducteur s'appuie contre le volant avant une collision, cela raccourcit non seulement le muscle, mais le muscle devient également plus raide par la contraction. Dans les précédentes simulations EF de muscles individuels et de groupes de muscles dans des modèles de corps entier, l'effet de la contraction musculaire a été complètement ignoré, " explique le chercheur.
Cette omission a été corrigée par Niclas Trube, un collègue de Boljen, qui a utilisé THUMS (Total Human Model for Safety) Version 5 pour ses enquêtes. Il a défini quatre états différents de rigidité et testé l'influence de ces changements dans une collision frontale simulée. La conclusion était que la raideur musculaire a une influence décisive sur le comportement des occupants du véhicule. Selon le degré de rigidité, différents types de blessures peuvent être attendus en cas d'accident.
Simulation offset-crash dans laquelle THUMS™ v5.01 a des muscles tendus. Il illustre clairement les enjeux possibles pour la sécurité passive dans un scénario d'accident autre qu'une collision frontale :la baudrier glisse. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
"Cette découverte pourrait être d'une importance majeure pour le développement ultérieur de modèles humains, en particulier en ce qui concerne les voitures autonomes. Les intérieurs des véhicules seront repensés à l'avenir, ce qui signifie que les concepts existants de ceintures de sécurité et d'airbags devront également être réévalués. Les modèles humains sont un outil précieux pour ce faire, " dit Trube.
Exigences accrues en matière de sécurité routière
Les modèles humains numériques peuvent également être utilisés pour la protection des piétons et des cyclistes. La nécessité d'agir sur ce point a été démontrée par des études récentes, qui témoignent d'une augmentation de la fréquence des situations dangereuses surprenantes provoquées par les vélos électriques. Les scooters électriques seront autorisés sur les routes publiques en Allemagne à partir de la fin de l'année. Les experts de la circulation craignent une nouvelle augmentation des accidents. En utilisant des modèles humains, les scénarios d'accidents peuvent être étudiés à l'avance. Selon le comportement défensif, la fréquence et l'intensité des contraintes survenant peuvent être testées. Fabricants de gardes, les casques et autres équipements de protection pourraient bénéficier des recommandations.
La façon dont le corps humain réagit aux contraintes mécaniques n'intéresse pas seulement le secteur des transports, cependant, mais aussi pour une variété de problèmes médicaux et ergonomiques. Comment les matériaux utilisés dans les implants et les prothèses se comportent-ils par rapport aux os humains lorsqu'ils sont soumis à un stress soudain ? Comment les vibrations des outils électriques affectent-elles l'utilisateur ? "Les modèles humains sont idéaux pour de telles applications, car nous pouvons créer des modèles virtuels réalistes avec eux, quelque chose qui ne peut pas être réalisé de la même manière avec des expériences, " dit Boljen.
