Biomécanique des chocs

Duane Cronin conçoit des modèles virtuels du corps humain pour comprendre ce qui se produit lors d’un accident d’automobile, et plus précisément les types de blessures et la façon de les prévenir.

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Duane Cronin

Dr. Duane Cronin
Professeur, Faculté de génie mécanique, Université de Waterloo; directeur général, Waterloo Centre for Automotive Research

Domaine de recherche :
Dans son laboratoire de l’Université de Waterloo, le Dr Duane Cronin se consacre à la création d’un meilleur mannequin d’essais de choc. Il ne remet pas en cause l’utilité des mannequins d’origine, qui sont des dispositifs d’essai anthropométriques dont il reconnaît la contribution sur le plan des progrès scientifiques et des vies sauvées. Cela étant dit, il souhaite en créer un qui repousse les limites établies. C’est précisément ce qu’il est en train de faire avec l’aide des ressources de calcul informatique de pointe fournies par Calcul Canada, en construisant des modèles de corps humain virtuels qui lui donneront une meilleure idée de ce qui se passe lorsqu’un accident se produit, surtout dans les cas où des événements se produisent en quelques fractions de seconde.

« Le but de nos recherches est de protéger les êtres humains dans des situations dangereuses », explique-t-il. « Pour ce faire, nous utilisons des modèles numériques du corps humain, car il est bien évident que nous ne pouvons pas vérifier les conséquences des chocs à l’aide de vrais humains. »

Quelle est la pertinence industrielle du projet de recherche?
À première vue, la pertinence industrielle n’est pas très intuitive; cependant, la sécurité est l’un des éléments essentiels au maintien de la compétitivité et de la durabilité des constructeurs d’automobiles. Il y a vingt ans, les consommateurs ne plaçaient pas autant d’importance sur la sécurité au moment d’acheter un véhicule; aujourd’hui, la sécurité occupe une place prépondérante. Chaque véhicule a été soumis à un test de conformité, ce qui signifie qu’il a dû satisfaire une norme de sécurité établie. Aujourd’hui, toutefois, ces normes sont beaucoup plus élevées.

Le programme d’évaluation des nouveaux modèles de voiture (NCAP) donne également une cote étoile à chaque type de véhicule. Donc, une fois le test de conformité réussi, le programme fournit davantage d’information en vue de montrer dans quelle mesure un véhicule donné surpasse d’autres véhicules.

Selon le Dr Cronin, un élément important dont il faut tenir compte est que le cycle de conception actuel des constructeurs d’automobiles est d’environ cinq ans, ce que ces derniers aimeraient réduire à trois ans. Pour y parvenir, il faut mettre en œuvre des méthodes avancées de conception et de construction.

Selon le Dr Cronin, « pour mettre des méthodes de ce genre en œuvre dans un milieu d’ingénierie assistée par ordinateur, les constructeurs doivent mettre en place des méthodes permettant d’évaluer les systèmes de sécurité. Pour réduire la durée du cycle de conception des véhicules, les constructeurs doivent continuer de se tourner vers les méthodes virtuelles. On estime que cela leur permettra d’épargner des millions, voire des milliards, de dollars à l’échelle mondiale. »

Le niveau de détail de ces modèles humains biofidèles n’a été rendu possible que grâce aux avancées réalisées dans le domaine du calcul informatique de pointe. Dans le cas qui nous occupe, cela se traduit par l’accès à des ressources de calcul de calibre mondial par l’entremise de SHARCNET et de Calcul Canada. Cette ressource essentielle permet à des modèles avancés de corps humain en éléments finis de contribuer de façon significative au domaine de la biomécanique de prévention des blessures.

Pouvez-vous décrire les avantages pour l’environnement de cette technologie?

Un mandat a été établi en vue de réduire les émissions de CO2 et d’améliorer la corporate average fuel economy (CAFE).

« Les exigences en ce qui concerne la CAFE consistent à atteindre une autonomie de 34 milles au gallon (6,9 litres/100 km) d’ici 2015 et de 54,5 milles au gallon (4,3 litres/100 km) d’ici 2025 », explique le Dr Cronin. « En 2014, nous en étions à 28,8 (8,2). Au Canada, le gouvernement souhaite réduire les émissions de gaz à effet de serre de 50 % d’ici 2025, comparativement aux données de 2008, ce qui signifie une amélioration considérable sur le plan de l’économie de carburant. »

L’an dernier en Ontario, les ventes de camions légers ont surpassé les ventes de véhicules de promenade. Si l’on considère que les consommateurs veulent de gros véhicules, et que les constructeurs d’automobiles se doivent d’offrir les produits que les consommateurs veulent, le défi réside dans la conception et la fabrication de véhicules encore plus économes en carburant, fort probablement en utilisant des matériaux plus légers.

« Plutôt que d’utiliser des pièces de tôle matricée assemblées à l’aide de soudures par points, les futures générations de véhicules seront fabriquées à partir d’acier à ultra haute résistance mécanique, d’aluminium et même de matériaux comme le magnésium », affirme le Dr Cronin. Assurer la résistance aux chocs et la sécurité des passagers prenant place à bord de véhicules fabriqués à partir de ces nouveaux matériaux représente donc un défi monumental qu’il est possible d’aborder à l’aide de méthodes d’ingénierie assistée par ordinateur et de modèles humains biofidèles.

Sur quoi portent présentement les recherches du Dr Cronin?
Il a commencé par s’associer à 3M pour étudier les adhésifs structurels. Pour construire un véhicule plus léger, il faut être en mesure de joindre ensemble des matériaux dissimilaires comme l’acier et l’aluminium. Certaines méthodes permettent d’y arriver, mais elles sont peu nombreuses. La solution de rechange évidente est d’utiliser des adhésifs structurels qui permettent de coller les matériaux ensemble et de créer une isolation électrique entre les composantes, ce qui permet d’amenuiser les problèmes de corrosion.

Une fois encore, une bonne résistance aux chocs est importante; les chercheurs et les constructeurs doivent donc amorcer leur travail à l’aide d’un modèle virtuel créé sur ordinateur. Par la suite, ils se servent du modèle virtuel du véhicule pour créer un modèle d’éléments finis. À l’aide de l’ordinateur, ils peuvent effectuer des essais de chocs pour déterminer le rendement du véhicule, pourvu qu’ils comprennent le fonctionnement du véhicule et qu’ils l’aient conçu correctement.

Pour évaluer la sécurité des passagers lors d’un accident, les chercheurs et les constructeurs doivent pouvoir passer à l’utilisation de modèles humains biofidèles. Les mannequins actuels sont suffisants pour évaluer les chocs unidirectionnels. L’étape suivante consiste à utiliser un modèle humain biofidèle qui permet de prévoir la réaction à un choc omnidirectionnel. Ce projet de recherche a été entrepris en collaboration avec le Global Human Body Models Consortium (GHBMC) et six centres d’expertise d’universités des quatre coins de la planète, dont l’Université de Waterloo. Le GHBMC est un consortium de fabricants d’équipement d’origine (FEO) et de fournisseurs, incluant Fiat Chrysler Automobiles, General Motors, Ford, Honda, Hyundai, Nissan, PSA Peugeot Citroen, Renault, Partnership for Dummy Technology and Biomechanics et Takata. Selon le Dr Cronin, « dans le cas d’un choc latéral qui comporte un vecteur frontal, notre modèle devrait être en mesure de prévoir la réaction des passagers et leur degré de sécurité ».

Outre les ceintures de sécurité et les structures d’écrasement, les constructeurs d’automobiles commencent à se tourner vers des systèmes de sécurité actifs. Les coussins gonflables sont devenus une composante courante des véhicules dans les années 90, et on envisage maintenant l’utilisation de freins automatiques. Toutefois, ce système doit faire l’objet d’un essai de choc, car lorsqu’un conducteur décide de freiner, il se prépare à la décélération, alors que dans le cas d’un accident, il ne s’attend pas à la décélération et il est possible qu’il réagisse différemment. « La musculature humaine chez les modèles humains est importante », explique le Dr Cronin. « Son analyse nous permettra de concevoir et d’évaluer efficacement les systèmes de sécurité actifs. »

Enfin, le Dr Cronin s’est efforcé de comprendre comment les blessures se produisent dans des milieux plus agressifs, comme ceux dans lesquels se retrouvent les membres des Forces canadiennes.

« Nous avons utilisé des modèles pour essayer de comprendre ce qui se passe, les types de blessures subies et les façons de les prévenir », explique-t-il. Il travaille de concert avec les Forces canadiennes, par l’entremise de Recherche et développement pour la défense Canada, en vue d’élaborer une jambière de protection contre les mines terrestres, du matériel pour protéger la tête contre le souffle, ainsi qu’une armure évoluée pour protéger le thorax contre les attaques balistiques. Il a également déposé quelques brevets relativement à un nouveau modèle d’armure.

Comment le Dr Cronin utilise-t-il les ressources de Calcul Canada dans le cadre de ses recherches?

Calcul Canada est un élément essentiel de son travail, car celui-ci s’effectue de façon entièrement virtuelle, sur un ordinateur.

« Nous sommes devenus l’un des plus importants groupes dans ce domaine à l’échelle mondiale, et cela est le résultat direct de notre accès aux ressources de Calcul Canada », affirme-t-il. « Sans ces ressources, nous ne pourrions pas être compétitifs à l’échelle internationale. »

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