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    tech insights

    Anspreng- und Ballistiksimulation - Damit der Ernstfall nicht zum Testlauf wird

    Obwohl wir statistisch betrachtet in dem bisher sichersten Zeitalter leben, tragen neben weltweit zunehmenden religiösen, ethnischen und Ressourcenkonflikten, die Aktivitäten diverser terroristischer Vereinigungen zu einem erhöhten Schutz- und Sicherheitsbedürfnis der Menschen in allen Lebensbereichen bei.

    Wir bei der EDAG CAE & Safety sind dabei ihr kompetenter Ansprechpartner im Bereich der simulativ gestützten Entwicklung von gepanzerten zivilen und militärischen Fahrzeugen, Schutzausrüstungen, Verbundsicherheitsverglasungen und Sonderschutzlösungen aller Art mit IMPETUS Afea Solver. Dabei können wir auf die Erfahrung aus fast 30 Jahren im Entwicklungsbereich von Sonderschutzfahrzeugen zurückgreifen und leisten durch die simulativ gestützte Entwicklung jeden Tag einen wichtigen Beitrag dazu Leben und Eigentum zu schützen.

    In ganzheitlicher Begleitung Ihres Entwicklungsprojekts erarbeiten wir ausgehend von ersten Konzeptstudien, gemeinsam mit Ihnen, funktionale Schutzlösungen, die speziell auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind und begleiten den Entwicklungsprozess bis zur erfolgreichen Zertifizierung Ihres Produkts.

    Um Zivilpersonen auf Verkehrswegen vor Anschlägen schützen zu können, werden seit den späten 1920er Jahren seitens der OEMs sogenannte Sonderschutzfahrzeuge entwickelt, die aufgrund der gesteigerten Nachfrage in diversen Widerstandsklassen angeboten werden.

    Als Experten für die Gesamtfahrzeugentwicklung und als Engineering Dienstleister internationaler Automobilkonzerne wissen wir, dass die Entwicklungszyklen dieser Fahrzeuge immer kürzer werden müssen, um den Marktanforderungen zu genügen. Aufgrund des daraus resultierenden anwachsenden Kosten- und Zeitdrucks wird auch in diesem Entwicklungsbereich vermehrt auf die Versuchssimulation zurückgegriffen, um kostenintensive und häufig zeitkritische Realversuche an händisch aufgebauten Prototypenfahrzeugen zu ergänzen bzw. anteilig zu ersetzen.

    Bei der Entwicklung von Sonderschutzfahrzeugen bzw. deren integrierten Panzerungen bedarf es einer Vielzahl von Beschuss- und Ansprengversuchen, um die Auswirkungen konstruktiver Änderungen sicher bewerten zu können. Hier konnte in der Vergangenheit häufig nur auf Einschätzungen und Erfahrungswerte aus vorangegangenen Fahrzeugentwicklungen zurückgegriffen werden, da es schlicht nicht möglich war, die realen Vorgänge während einer Ansprengung oder eines Beschussereignisses vollständig zu visualisieren, um entsprechende zielgerichtete Maßnahmen abzuleiten.

    WIR SIMULIEREN UM DIE REALITÄT ZU BEGREIFEN UND SIE ZU VERÄNDERN

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    Unterbodenansprengung eines Sonderschutzfahrzeugs in Schnittdarstellung

    Durch die Verwendung von IMPETUS Afea Solver sind wir in der Lage verschiedene Konzepte bereits in frühen Entwicklungsphasen zu untersuchen. Die essentiellen Vorteile der virtuell gestützten Entwicklung bestehen dabei in der frühzeitigen, fundierten Einschätzung der Leistungsfähigkeit des gewählten Schutzkonzepts und in der Adaptivität des Modells auf unterschiedlichste Bedrohungsszenarien und Zertifizierungslastfälle.

    Durch detaillierte Untersuchungen kritischer Bereiche ist es uns möglich, Schwachstellen von Komponenten und Systemen gezielt zu ermitteln und durch bewusst herbeigeführte Überlastungssituation die Restschutzwirkung zu bewerten. Hierdurch wird ein tiefes Verständnis für die verschiedenen Wirkzusammenhänge während einer Ansprengung oder eines ballistischen Einschlagsereignisses geschaffen, wodurch wiederum gezielte Verbesserungsmaßnahmen des Schutzsystems ergriffen werden können.

    Selbstverständlich fließt an dieser Stelle, neben der Expertise unserer Kunden, auch das gebündelte Knowhow weiterer EDAG Fachabteilungen mit ein, was es uns ermöglicht simulativ erzielte Verbesserungen nach konstruktiven Richtlinien umzusetzen und versuchstechnisch zu begleiten. Durch diesen ganzheitlichen und unabhängigen Engineering-Ansatz ist es uns möglich, unseren Kunden ein breitgefächertes in-house Portfolio an Entwicklungs- und Absicherungsdienstleistungen in den Bereichen Sonderschutzfahrzeugbau, Personenschutzausrüstung, Sicherheitsverglasung und weiterer allgemeiner Schutzsysteme anbieten zu können.

    textbild-2-sprengsimulation

    Variation verschiedener Detailuntersuchungen

    Das potentielle Kundenspektrum ist dabei ebenso vielfältig wie die verschiedenen denkbaren simulativen Aufgabenstellungen:

    • Nachstellung von Zertifizierungsumfängen
    • Adaptierbare Detailuntersuchungen
    • Gezielte Schwachstellenanalysen
    • Einschlagsszenarien in Strukturen und Zielballistik
    • Simulative Nachstellung von Anschlagsszenarien
    • Konzeptstudien und Parameteroptimierungen
    • Simulation von Realversuchen

    IMPETUS AFEA - VALIDIERTE SIMULATION WIRD SIMULIERTE REALITÄT

    Für die beschriebenen Simulationsumfänge verwenden wir den, von IMPETUS Afea AS speziell für hochgradig nichtlineare und hochdynamische Aufgabenstellungen entwickelten, IMPETUS Afea Solver. Dieser explizite FE-Solver ist besonders für die simulative Abbildung von Ansprengungen und ballistischen Einwirkungen auf Strukturen und damit zur numerischen Abbildung großer strukturdynamischer Deformationen unter extremen Belastungszuständen geeignet.

    Um unserer Verantwortung gerecht zu werden, das höchste Gut, das Menschenleben zu schützen, formulieren wir entsprechende Qualitätsziele an die Prognosegüte unserer Simulationen. Dabei ist uns die Tragweite von Simulation dieser Art stets bewusst, weshalb wir kontinuierlich daran arbeiten, diese weiter zu optimieren, damit der Ernstfall nicht zum Testlauf wird.

    Dies setzt neben einem numerisch extrem stabilen Solver auch detaillierte Material- und Schädigungsmodelle voraus, die auch unter hohen Deformationsgraden und Dehnraten zuverlässige Ergebnisse liefern und es ermöglichen duktile wie spröde Materialien gleichermaßen zu erfassen. Neben der Simulation von Einschlagsereignissen durch Festkörper sind wir in der Lage die strukturellen Auswirkungen von Druckwellen darzustellen. So lassen sich auch Gase, Flüssigkeiten oder Granulate simulativ erfassen, wodurch beispielsweise die Wirkung einer vergrabenen Mine mittels Struktur-Partikel-Interaktion simuliert werden kann. Aus diesem Grund kommt es für uns auch nicht in Frage, diese hochdynamischen Vorgänge mit herkömmlichen Crash-Solvern zu berechnen, da diese für derartige Simulationen nicht hinreichend geeignet sind. Dabei vergrößert sich unsere Datenbank mit Materialmodellen, Sprengladungen und Projektilen stetig, um auch zukünftige Fragestellungen schnell und effizient bearbeiten zu können.

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    Beschuss von Verbundsicherheitsverglasung und Rahmen

    Selbstverständlich sind wir uns darüber im Klaren, dass die Qualität der zu erwartenden Simulationsergebnisse auch bei einem noch so ausgereiften Simulationswerkzeug nur so gut sein kann wie es der Dateninput zulässt. Eine Validierung der Simulation ist dementsprechend nach wie vor zur Steigerung der Prognosegüte notwendig.

    Auszugsweise sind einige unserer Simulations- und Optimierungsleistungen während eines Entwicklungsprozesses exemplarisch aufgeführt:

    • Aufbau komplexer CAE-Modelle aus CAD-Daten inkl. Materialeigenschaften, Verbindungstechnik und gesonderter Randbedingungen
    • Nachstellung diverser Zertifizierungsanforderungen
    • Auskonstruktion von funktions- und anforderungsgerechten Schutzsystemen
    • Kontinuierliche, iterative Modelloptimierung und Schwachstelleneliminierung
    • Validierung der Ergebnisse anhand von Versuchsdaten

    KANN ES HÖHERE ANSPRÜCHE ALS DEN SCHUTZ DES LEBENS GEBEN?

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    Ansprengung einer Konzeptpanzerung mit zwei Splitter-Handgranaten

    Bei der Entwicklung von Schutzsystemen besteht unser oberstes Ziel stets darin, Menschenleben zu schützen und gleichzeitig innerhalb der vorgegebenen Rahmenbedingungen ein ausgereiftes Produkt zu schaffen, um die eigenen Ansprüchen zu erfüllen und den definierten Anforderungen mehr als nur zu genügen.

    Dies gilt natürlich gleichermaßen für alle Anwendungsfälle, in denen hochdynamische Prozesse simuliert werden, die potentielle Gefahren für Leib und Leben darstellen. Was passiert z.B. wenn sich bei einem von zwei aneinander vorbeifahrenden Personenzügen ein Bauteil löst und in die Frontstruktur des entgegenkommenden Zuges einschlägt? Wird die Struktur dieser Belastung standhalten oder müssen wir strukturelle Veränderungen vornehmen, um die Sicherheitszone für den Lokführer zu verstärken?

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    Einschlag eines Normprojektils auf die Frontstruktur eines Personenzuges

    Auch mit solchen oder ähnlichen Fragestellungen und der Nachstellung von unterschiedlichsten Bedrohungsszenarien in Fahrzeug- und Sonderschutzlösungen beschäftigen wir uns bereits heute.

    DIE ZUKUNFT BEGINNT JETZT

    Wir wären nicht EDAG, wenn wir nicht kontinuierlich neue Themenfelder und Einsatzmöglichkeiten erschließen würden, daher arbeiten wir aktuell u.a. an folgenden Themen:

    • Support bei der Erstellung eines Simulationsmodells eines biofidelen Crash-Test-Dummys als Kooperation mit der Crashtest-Service-GmbH und der AFUS Forschungsgesellschaft mbH
      Herkömmliche Crash-Test-Dummys ermöglichen bislang keine direkte Bewertung von Verletzungen, sondern zeichnen dagegen charakteristische Kraft-, Moment- oder Druckverläufe auf. Darüber hinaus besteht die Gefahr den relativ kostenintensiven Dummy im Fall eines nicht erfolgreichen Zertifizierungsversuchs zu beschädigen oder zu zerstören. Der „Primus Breakable“ mit seinem biofidelen, den Menschen imitierenden, Verhalten greift genau diese Problematik auf indem sein Schädigungsverhalten mit seinem anthropomorphen Vorbild vergleichbar ist. Dementsprechend erfolgt die Evaluierung der, bei einem Menschen zu erwartenden, Verletzungen und deren Intensität durch eine anschließende Obduktion des Dummys.
    • Entwicklung von Notausstiegssystemen für Sonderschutzfahrzeuge
      Wir schaffen es, die Gefahr auszusperren, aber was passiert, wenn ein Fahrzeug verunglückt oder einen Anschlag überstanden hat? Können Rettungskräfte noch zugreifen? Sind die Passagiere selbstständig in der Lage sich zu befreien? In diesem Themenbereich arbeiten wir zudem parallel an neuartigen Ausstiegsmöglichkeiten fernab herkömmlicher Notausstiegssysteme.
    • Entwicklung von Verbundsicherheitsverglasungen und den zugehörigen Sicherheitsrahmen
      Die Einsatzzwecke variieren dabei von Gebäudeverglasung zur Terrorabwehr bis zum Einbruchschutz in vulnerable Bereiche und umfassen dabei ebenso die Verglasung von Sonderschutz- und Einsatzfahrzeugen.
    • Simulative Untersuchung von Ansprengbelastungen und Einschlagsszenarien auf Batteriesysteme
       Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Automobilen wird auch im Rahmen der Zertifizierung von Sonderschutzfahrzeugen über die Absicherung von Elementen zur Energiespeicherung beraten, da eine verstärkte Nutzung elektrischer Energie in künftigen Fahrzeugkonzepten dieses Segmentes nicht auszuschließen ist. Dementsprechend beschäftigen wir uns bereits heute damit Energiespeicher von äußeren Einwirkungen zu schützen um die Mobilität im Ernstfall aufrecht zu erhalten.
    Wir arbeiten bereits seit mehreren Jahren mit IMPETUS Afea und verfügen durch diverse Projekte über ein tiefes Detailwissen. Unsere Kollegen, Eberhard Keim, Head of Department CAE & Safety und Jan Bohlen, CAE Engineer Blast & Ballistic unterstützen Sie gerne bei Ihren Fragestellungen, die wir – natürlich stets unter höchster Diskretion und Geheimhaltung – simulativ für Sie untersuchen.
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