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

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.

Date	13 juil. 2018
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Éric Wagnac (Directeur(-trice)) & Yvan Petit (Codirecteur(-trice))