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„Si vis pacem para bellum“ - Simulation im Bereich Defense

Wenn du Frieden willst, rüste zum Krieg (Marcus Tullius Cicero)

Deutschland hat nach Jahren des Zerfalls der Streitkräfte einen Betrag von 100 Milliarden € als Sonderguthaben Anfang Juni 2022 als Antwort auf den Ukraine Krieg aus dem „Nichts“ geschaffen.

Merkle & Partner Defense Projekte

Früher hieß das zwar Schulden, aber „Sondervermögen“ klingt einfach besser.

Dass sich die Landesverteidigung nicht im besten Zustand befindet, zeigte eine Bestandsaufnahme in der Zeit Online aus dem Jahr 2014: Unter der Überschrift.

Bundeswehr-Ausrüstung: Das stehende Heer

wird beschrieben: „Flugzeuge, Panzer, U-Boote – ein großer Teil der Ausrüstung der Bundeswehr steht herum, weil Ersatzteile oder Mechaniker fehlen. Wir zeigen, was noch fährt und fliegt.“

Gattung:Bestand:Voll einsatzfähig:Prozent:
Transportpanzer GTK BoxerHeer1807039%
Kampfpanzer Leopard 2Heer27323285%
Panzerhaubitze 2000Heer897685%
Kampfhubschrauber TigerHeer311032%
Transporthubschrauber NH-90Heer3326%
Raketenabwehrsystem PatriotLuftwaffe13754%
Transportflugzeug C-160 TransallLuftwaffe562138%
TornadoLuftwaffe893640%
Kampfjet EurofighterLuftwaffe10987%
Transporthubschrauber CH-53Luftwaffe67710%
U-Boot 212 AMarine4125%
Marinehubschrauber Mk 41 SeakingMarine21314%
FregattenMarine11764%
Korvette K 130Marine5240%

Ich glaube ja nicht, dass sich an diesem Zustand seit 2014 schon etwas positiv verändert hat. Wie auch immer, es sieht schon so aus, dass der Verteidigungsbereich etwas „vernachlässigt“ wurde, wie übrigens ein Großteil unserer Infrastruktur auch. Dafür haben wir ja andere, äußerst wichtige Fragestellungen politisch bearbeitet, auf die ich im Einzelnen nicht weiter eingehen möchte.

Nun also steht ein Sondervermögen bereit, welches die Bestände wieder auffrischen soll. Wir sind gespannt, was tatsächlich davon bei der Ausrüstung der Truppe ankommt.

An einigen der obigen Projekte im Bereich Defense für Heer, Luftwaffe und Marine hat Merkle & Partner im Laufe der letzten 33 Jahre Simulationen im Bereich Struktur FEM und Strömung CFD durchgeführt, auf die ich etwas näher eingehen möchte.

Flugabwehrraketen

Mein insgesamt zweiter Auftrag 1989 kam von Dynamit Nobel in Köln. Hier untersuchte ich, damals noch als Einzelkämpfer unterwegs die transiente Aufheizung der Lavaldüse von Luft-Luft-Raketen.

Eurofighter

Eines der ersten größeren Projekte bei Merkle & Partner überhaupt Anfang der 90er waren die Simulations-Berechnungen des Sticks, also des Steuerknüppels beim Eurofighter für damals noch BGT. Hier galt es, das Verhalten des bei Betätigung, Misuse, Schock, Vibration, Gunfire etc. rechnerisch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM-Simulation) zu bewerten. Gleichzeitig mussten die Anforderungen hinsichtlich Leichtbaus eingehalten bzw. das Gewicht optimiert werden.

Später kamen hier das Verhalten von Zielerfassungsgeräten und Optiken unter Vibration und Schockbelastung zur Simulationsberechnung hinzu.

Tiger

Beim Kampfhubschrauber Tiger untersuchten wir Ende der 90er Jahre für damals EADS das transiente thermische Verhalten von Zielerfassungsgeräten bzw. der Leiterkarten im Falle eines Ausfalls der Kühlung. Eines der ersten Projekte, bei denen Merkle & Partner vergleichsweise große Modelle thermisch mit Strahlung untersucht hat. Die Untersuchungen erfolgten damals noch mit Methoden der FEM-Simulation, die Erwärmung der Luft sowie die unterschiedlichen Strömungsbedingungen in den Leiterkartenboxen wurden noch nicht berücksichtigt.

Fregatten und Korvetten

Im Bereich der Marine waren Aufgabenstellungen oft die schwingungstechnische Entkopplung von Maschinen (Kompressoren, Motoren, Winden, Pumpen) vom Schiffsdeck. In einem Fall ging es um das Verhalten von Bildschirmen und Informationssystemen, die im Falle von Schockbelastungen bei Treffern oder Wasserschlag ausreichend abgesichert sein müssen.

Interessante Projekte waren hier auch die Simulationsberechnungen diverser Winden und Schleppvorrichtungen für Aljo zum Schleppen von Sonaren bei unterschiedlichen Szenarien und Belastungen.

Panzer

Für Lockheed Martin hat Merkle & Partner im Bereich Defence umfangreiche Untersuchungen der Turmantriebe bzw. Aktuatoren von Panzern sowie der elektronischen Einheiten nach MIL Standard durchgeführt. Dies umfasste Modal-, Spektral-, PSD-, SRS-, und RSM- Untersuchungen in allen Betriebssituationen.

Hier führten wir allein Nachweise für über 140 verschiedene dynamische Lastszenarien.

Ebenso haben wir am sogenannten gläsernen Panzer von Hensoldt bei Themen des Thermomanagements mitgearbeitet. Die Fragen sind hier, wie man große Wärmemengen bei hohen Umgebungstemperaturen wegbekommt, so dass elektronische Bauteile nicht überhitzen. Hier wurden auch die Strömungsverhältnisse sehr genau abgebildet.

U-Boote

Bei U-Booten waren Interaktionen des Periskops hinsichtlich Strömungserregter Schwingung die Aufgabenstellung im Bereich Defence; die Merkle & Partner mit Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) betrachtet hat. Auch innerhalb entstehen hohe Verlustleistungen auf engem Raum, die es zu kühlen gilt.

Die Strömung um das U-Boot wurde ebenfalls im Bereich des Periskops abgebildet.

Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt der Simulationen und Aufgabenstellungen mit FEM und CFD im Bereich Defence oder Defense, beide Schreibweisen sind richtig.

Mit allen hier gängigen Normen (MIL Standard, BV 0230, BV 0240) und den Berechnungsverfahren ist Merkle & Partner bestens vertraut. Die erforderlichen Softwarepakete und auch die nötige Rechenpower großer Projekte haben wir im Einsatz.

Aus der Sicht eines Berechnungsingenieurs mit mehreren Jahrzehnten Erfahrung sind im Bereich Defense immer wieder zwei Hauptthemen zu finden: Dynamische Belastungen (Vibration und Schock), sowie Thermomanagement bei teilweise extremen Bedingungen. Und ja, auch das Gewicht spielt eine wesentliche Rolle und sollte möglichst gering sein.

Ihr Stefan Merkle

PS: Hier noch ein paar Erklärungen:

Schockbelastungen sind kurzzeitige, sehr hohe Beschleunigungen oder Kräfte, die beim Abfeuern einer Kanone, von Raketen, beim Auffahren auf eine Mine, bei Treffern, Explosionen im Umfeld etc. auftreten. Hier gibt es charakteristische Verläufe jeweils für Landfahrzeuge, Schiffe, Hubschrauber, Strahltriebwerke, die für Auslegungen militärischer Ausrüstungen herangezogen werden.

Vibrationen sind mehrere gleichzeitig auftretende Erregerfrequenzen, welche die Schwingung von Bauteilen oder Baugruppen anregen können. Während Schockbelastungen kurzzeitig wirken, wirken Vibrationen über einen längeren Zeitraum.

Über verschiedene Verfahren lassen sich hier zu bewertende Spannungen und Verformungen über FEM-Berechnungen ermitteln.

Das genaueste, aber leider auch aufwändigste Verfahren ist die direkte Zeitintegration. Hier erhält man die Spannungen als Funktion des Ortes und der Zeit. Bei Schock oder Crashlasten wird dieses Verfahren teilweise angewendet, bei Vibrationen aber auch bei Schocklasten greift man oft auf die sogenannte modale Superposition zurück. Das bedeutet, die Antwort einer Struktur wird aus ihren Eigenformen (Schwingung bei einer bestimmten Eigenfrequenz) zusammengesetzt. Nichtlinearitäten sind dann nicht mehr abbildbar, die Rechenzeiten sind aber wesentlich kürzer.

Oft verwendete Begriffe sind in diesem Zusammenhang:

PSD    Power Spectral Density

SRS    Shock Response Spectrum

RSM   Response Spectrum Methode (Antwortspektrum)

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