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Arash Ramezani
Numerische Simulation endballistischer Vorgänge zur Analyse ausgewählter Panzerstrukturen und Optimierung moderner Sonderschutzfahrzeuge
In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Untersuchung endballistischer Vorgänge betrachtet. Im Fokus stehen moderne Strukturen und Werkstoffe, die bei Sonderschutzfahrzeugen aktuell eingesetzt werden. Neben den noch immer weit verbreiteten Realversuchen werden analytische und numerische Verfahren vorgestellt und ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Ziel ist die effektive Optimierung ausgewählter Panzerstrukturen, um den immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten gerecht zu werden. Gleichzeitig sollen jedoch auch die Anforderungen der Industrie, wie beispielsweise sinkende Herstellungskosten, nicht vernachlässigt werden.
Zu Beginn werden die Grundlagen der Endballistik und das Materialverhalten bei hohen Belastungen ausführlich erläutert. Anschließend werden numerische Simulationsverfahren vorgestellt und verschiedene Methoden zur Untersuchung kurzzeitdynamischer Prozesse gegenübergestellt.
Ein präzises Modell gewellter Panzerstruktur wird mithilfe von Aufnahmen aus Realversuchen erstellt und anschließend virtuell optimiert. Dadurch kann unnötiger Entwicklungsaufwand verhindert und die Kenntnisse über die Wirkmechanismen asymmetrischer Krafteinwirkung für den Einsatz in sondergeschützten Fahrzeugen vertieft werden. Dabei wird gezeigt, wie Werkstoffe in einem iterativen Optimierungsprozess erstellt werden müssen, um das Verhalten bei starken Verformungen abbilden zu können.
Zudem wird ein präzises Simulationsmodell für Verbund-Sicherheitsglas vorgestellt. Unabhängig von den bisherigen, defizitären Modellen werden Materialparameter und Berechnungsverfahren anhand der aus aufwendigen Realversuchen ermittelten Ergebnisse angepasst. Sie bilden dementsprechend eine Basis für adäquate Simulationen spröder Werkstoffe. Dadurch ist es möglich, vorhandene Strukturen präzise zu optimieren, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und Kosten in der Produktion einzusparen.
Darüber hinaus werden numerische Simulationsverfahren für die Optimierung sprengwirkungshemmender Panzerungen verwendet. Die Anwendbarkeit militärischer Technologien auf zivile Fahrzeuge wird überprüft und ausgewertet. Ohne den kosten- und zeitintensiven Einsatz experimentell durchgeführter Versuche werden die Ergebnisse mithilfe empirischer Formeln validiert. Die Modelle werden dabei kritisch betrachtet und denkbare Fehlerquellen aufgezeigt, um diese daraufhin hinsichtlich der Simulationsdauer im Bereich der Detonation und Sprengwirkung anwendungsspezifisch zu verbessern.
Aus den vorherigen Ausführungen wird ersichtlich, dass mithilfe numerischer Berechnungen sowohl die Kosten im Realversuch als auch die Entwicklungszeiten und -aufwände deutlich reduziert werden können. Die Wirkweise von Schutzmechanismen lässt sich durch numerische Simulation bis ins Detail analysieren und verbessert damit auch das Verständnis dieser Prozesse. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine konstruktive Optimierung von Schutzsystemen in Sicherheitsfahrzeugen und ermöglichen einen bedarfsgerechten Einsatz der Materialien. Folglich kann die numerische Simulation bei Sicherheitsfahrzeugen zukünftig einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung des Insassenschutzes bei Angriffen leisten und gleichzeitig die Effizienz in der Entwicklung von Sicherheitsfahrzeugen steigern.
Zu Beginn werden die Grundlagen der Endballistik und das Materialverhalten bei hohen Belastungen ausführlich erläutert. Anschließend werden numerische Simulationsverfahren vorgestellt und verschiedene Methoden zur Untersuchung kurzzeitdynamischer Prozesse gegenübergestellt.
Ein präzises Modell gewellter Panzerstruktur wird mithilfe von Aufnahmen aus Realversuchen erstellt und anschließend virtuell optimiert. Dadurch kann unnötiger Entwicklungsaufwand verhindert und die Kenntnisse über die Wirkmechanismen asymmetrischer Krafteinwirkung für den Einsatz in sondergeschützten Fahrzeugen vertieft werden. Dabei wird gezeigt, wie Werkstoffe in einem iterativen Optimierungsprozess erstellt werden müssen, um das Verhalten bei starken Verformungen abbilden zu können.
Zudem wird ein präzises Simulationsmodell für Verbund-Sicherheitsglas vorgestellt. Unabhängig von den bisherigen, defizitären Modellen werden Materialparameter und Berechnungsverfahren anhand der aus aufwendigen Realversuchen ermittelten Ergebnisse angepasst. Sie bilden dementsprechend eine Basis für adäquate Simulationen spröder Werkstoffe. Dadurch ist es möglich, vorhandene Strukturen präzise zu optimieren, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und Kosten in der Produktion einzusparen.
Darüber hinaus werden numerische Simulationsverfahren für die Optimierung sprengwirkungshemmender Panzerungen verwendet. Die Anwendbarkeit militärischer Technologien auf zivile Fahrzeuge wird überprüft und ausgewertet. Ohne den kosten- und zeitintensiven Einsatz experimentell durchgeführter Versuche werden die Ergebnisse mithilfe empirischer Formeln validiert. Die Modelle werden dabei kritisch betrachtet und denkbare Fehlerquellen aufgezeigt, um diese daraufhin hinsichtlich der Simulationsdauer im Bereich der Detonation und Sprengwirkung anwendungsspezifisch zu verbessern.
Aus den vorherigen Ausführungen wird ersichtlich, dass mithilfe numerischer Berechnungen sowohl die Kosten im Realversuch als auch die Entwicklungszeiten und -aufwände deutlich reduziert werden können. Die Wirkweise von Schutzmechanismen lässt sich durch numerische Simulation bis ins Detail analysieren und verbessert damit auch das Verständnis dieser Prozesse. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine konstruktive Optimierung von Schutzsystemen in Sicherheitsfahrzeugen und ermöglichen einen bedarfsgerechten Einsatz der Materialien. Folglich kann die numerische Simulation bei Sicherheitsfahrzeugen zukünftig einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung des Insassenschutzes bei Angriffen leisten und gleichzeitig die Effizienz in der Entwicklung von Sicherheitsfahrzeugen steigern.
Schlagwörter: Numerische Simulation; Endballistik; Sonderschutzfahrzeuge; Panzerstrukturen; Kurzzeitdynamik
Schriftenreihe Laboratorium Mess- und Informationstechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. H. Rothe, Hamburg
Band 2015,13
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