Virtuelle Schockberechnungen sind in der Rüstungsindustrie unverzichtbar – insbesondere für die Marine. Sie ermöglichen die realitätsnahe Abbildung extremer Belastungen durch Explosionen oder Schockimpulse, wo physische Tests an ihre Grenzen stoßen. Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich plastische Tragreserven, Schraubennachweise nach VDI 2230 und komplexe Lastfälle präzise untersuchen. So wird die Sicherheit von Systemen gesteigert, Entwicklungsrisiken minimiert und die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt.
Bedeutung der Schockberechnung im Verteidigungsumfeld
In der Rüstungsindustrie gelten außergewöhnlich hohe Anforderungen an die Belastbarkeit von Komponenten und Systemen. Ob gepanzerte Fahrzeuge, Marineplattformen oder elektronische Baugruppen – Schockereignisse durch Explosionen, ballistische Einwirkungen oder harte Transport- und Betriebslasten sind ein zentrales Thema. Besonders im maritimen Umfeld, etwa beim Einsatz von Schiffen und U-Booten, stellen Schockbelastungen durch Unterwasserexplosionen eine extreme Herausforderung dar. Hier spielt die Schockberechnung für die Marine eine Schlüsselrolle, da die Nachweise unmittelbar mit der Einsatzsicherheit verknüpft sind.
Klassische Testverfahren stoßen bei diesen Aufgaben schnell an ihre Grenzen: Sie sind kostenintensiv, logistisch aufwendig und oft nur schwer reproduzierbar. Virtuelle Schockberechnungen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) ermöglichen es, diese Herausforderungen präzise, effizient und wirtschaftlich zu bewältigen.
Methodischer Ansatz: Von linear bis nichtlinear
Ein entscheidender Vorteil der FEM-basierten Schockberechnung liegt in der differenzierten Abbildung des Materialverhaltens. Während einfache lineare Modelle erste Einschätzungen ermöglichen, spiegeln sie die Realität nur eingeschränkt wider. Gerade in der Rüstungs- und insbesondere in der Marineindustrie, in der Bauteile bis an ihre Grenzen beansprucht werden, ist die Berücksichtigung plastischer Tragreserven essenziell.
Abbildung 1 zeigt den Vergleich eines rein linear elastischen Materialmodels mit einem linear elastisch ideal plastischen (nichtlinear). Durch die Nutzung nichtlinearer Materialgesetze lassen sich bleibende Verformungen, Energieabsorptionsmechanismen und Versagensarten zuverlässig prognostizieren. Je nach Fragestellung kann die Analyse transient, also zeitabhängig, erfolgen – beispielsweise zur Untersuchung des zeitlichen Verlaufs einer Belastung liegt. Diese Flexibilität macht die Methode zu einem unverzichtbaren Werkzeug im Verteidigungsumfeld.
Ablauf einer virtuellen Schockberechnung
Der Weg von der Problemstellung bis zum belastbaren Ergebnis folgt einem klar strukturierten Prozess. Ausgangspunkt ist die Definition der Lastfälle. Ingenieure greifen hierbei auf Normen, Kundenvorgaben oder realitätsnahe Einsatzszenarien zurück. In der Schockberechnung für die Marine umfasst dies beispielsweise Druckverläufe von Unterwasserexplosionen oder Schockimpulse, die auf Schiffsrümpfe und sensitive Systeme wirken.
Im Anschluss wird das numerische Modell erstellt. Ein geeignetes FEM-Modell bildet sowohl die Geometrie als auch die relevanten Schnittstellen, wie Schraubverbindungen oder Lagerungen, praxisgerecht ab. Die Qualität der Vernetzung spielt dabei eine zentrale Rolle, da sie die Genauigkeit der Ergebnisse maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig müssen Kontakte zwischen Bauteilen realitätsnah definiert werden, da sie unter Schockbelastung entscheidend sind.
Parallel dazu werden die Materialeigenschaften festgelegt. Neben linearen Kennwerten sind es gerade die nichtlinearen Eigenschaften, die im Bereich der Schockberechnung für die Marine und in der Rüstungsindustrie unverzichtbar sind. Sie erlauben es, die Tragreserven über den elastischen Bereich hinaus realistisch zu bewerten.
Die eigentliche Berechnung erfolgt anschließend abhängig vom Szenario. Transiente Analysen sind dabei besonders relevant für den maritimen Einsatz, da sich die Dynamik von Unterwasserschocks nur zeitabhängig realistisch abbilden lässt. Quasi-statische Ansätze wiederum eignen sich, wenn Endzustände oder Grenzlasten im Vordergrund stehen.
Nach der Simulation folgt die detaillierte Auswertung. Unsere Ingenieure*innen analysieren Spannungen, Dehnungen und Verformungen und identifizieren kritische Schwachstellen. Ergänzend können spezifische Nachweise, wie etwa der Schraubennachweis nach VDI 2230, erbracht werden, um auch Verbindungselemente unter Extrembelastungen abzusichern.
Vorteile der virtuellen Schockberechnung
Die Schockberechnung zeigt ihre Stärken besonders bei großdimensionierten Strukturen oder schwer zugänglichen Komponenten, wie sie in der Marine häufig vorkommen. Physische Tests sind hier nur eingeschränkt realisierbar. Simulationen hingegen erlauben es, verschiedene Szenarien flexibel und reproduzierbar durchzuspielen – von Unterwasserdetonationen bis hin zu Schockimpulsen auf komplexe Schiffssysteme.
Die Vorteile sind vielfältig: hohe Flexibilität bei der Untersuchung unterschiedlicher Lastfälle, transparente Einblicke in das Bauteilverhalten sowie die Möglichkeit, Entwicklungszyklen erheblich zu verkürzen. Risiken lassen sich frühzeitig identifizieren, Schwachstellen gezielt adressieren und sowohl Kosten als auch Zeit einsparen.
Rolle des FEM-Modells für belastbare Ergebnisse
Die Güte einer Schockberechnung hängt entscheidend von der Qualität des FEM-Modells ab. Eine praxisgerechte Vernetzung, die präzise Abbildung relevanter Kontaktstellen sowie die Berücksichtigung nichtlinearer Materialgesetze sind unabdingbar. Erfahrungen zeigen, dass eine sorgfältige Modellierung nicht nur die Genauigkeit erhöht, sondern auch den Projektaufwand reduziert, da weniger Iterationen notwendig sind. Für unsere Kunden bedeutet dies zuverlässige Ergebnisse und eine effiziente Projektabwicklung.
Fazit – Sicherheit durch Simulation
Die Schockberechnung in der Rüstungsindustrie ist ein zentrales Instrument, um Sicherheit und Zuverlässigkeit von Komponenten nachzuweisen. Besonders die Schockberechnung für die Marine ist unverzichtbar, da hier extreme Belastungen auftreten, die im realen Versuch kaum abbildbar sind. Virtuelle Methoden bieten eine praxisnahe und belastbare Alternative zu experimentellen Prüfungen, die allein nicht ausreichen. Unternehmen, die ihre Systeme frühzeitig durch Simulation absichern, reduzieren Risiken, beschleunigen die Entwicklung und sichern ihre Wettbewerbsfähigkeit.
Wenn Sie Unterstützung bei der Schockberechnung für Ihr Projekt benötigen – sei es im maritimen Umfeld oder in anderen Bereichen der Rüstungsindustrie – stehen wir Ihnen mit unserer Expertise gerne zur Seite.