Explosion trifft den Zeitgeist
Ob es am Ukraine-Krieg oder am wachsenden Bedürfnis der Menschen nach Sicherheit in unsicheren Zeiten liegt, es gibt immer wieder Themen, bei denen wir gar nicht damit rechnen, bei unseren Kunden auf so große Resonanz zu stoßen.
Eines dieser Themen sind Explosionen, genauer gesagt, die Simulation von Explosionen.
Explosionen faszinieren und beängstigen gleichermaßen. Ihr zerstörerisches Potenzial und die beeindruckenden visuellen Effekte haben seit jeher die menschliche Neugier, insbesondere die Meine, geweckt. Schon als Kind haben mich Sprengstoffe, Schwarzpulver, Raketentreibstoffe und Explosionen fasziniert, wie Bild 2 aus längst vergangenen Zeiten zeigt. Aber das nur am Rande…
Doch wie können wir diese gefährlichen Ereignisse verstehen, ohne uns und unsere Umgebung zu gefährden?
Die Antwort liegt in der Simulation.
Hier kann man ungefährdet untersuchen, was passieren könnte, ohne sich gleich selbst den Kittel (bzw. die Augenbrauen und Wimpern einen Tag vor dem Französisch-Abi) zu verbrennen. Je besser man etwas versteht, umso besser kann man es kontrollieren und die Simulation kann das Verständnis revolutionieren.
Explosionen können bei einer Vielzahl von Szenarien auftreten, sei es bei industriellen Unfällen, militärischen Konflikten oder sogar in der Unterhaltungsindustrie für Film- und Videospiel-Szenen. Mithilfe von leistungsstarker Software und Computermodellen können wir bei Merkle CAE Solutions virtuelle Explosionen erzeugen und analysieren, um wertvolle Einblicke zu gewinnen.
Ob es sich dabei um die Explosion von Wasserstoff in Prüfhallen, Staubexplosionen im Anlagenbau, gezielte Sprengungen mit TNT, dem Auffahren von Schiffen auf Minen oder um den Schutz vor Anschlägen handelt, ist für die Modellierung des Szenarios von untergeordneter Bedeutung.
Die Simulation von Explosionen basiert auf CFD- und FEM-Modellen, welche die physikalischen Gesetze widerspiegeln, die bei Explosionen eine Rolle spielen. Diese Modelle berücksichtigen Faktoren wie Reaktionsgleichung, Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Materialverhalten und mehr. Durch die Eingabe dieser Parameter in eine Simulationssoftware können wir bei Merkle CAE Solutions vorhersagen, wie sich eine Explosion in einer bestimmten Umgebung verhalten wird. Darüber hinaus kann man das Versagen von Gebäuden und Schutzmaßnahmen in die Betrachtung mit einbeziehen. Unabhängig von der Geometrie! Die Welt besteht nun mal in den seltensten Fällen aus einer ebenen Platte.
Grob kann man die Anwendungen von Explosionssimulationen in folgende Bereiche unterteilen:
Sicherheitsdesign und -bewertung
Industrieanlagen, die mit explosiven Stoffen arbeiten, müssen sicher sein. Die Simulation von Explosionsszenarien hilft den Ingenieuren dabei, Sicherheitsmaßnahmen zu optimieren, potenzielle Schwachstellen zu identifizieren und die Auswirkungen von Unfällen zu minimieren. Ein Fachbegriff, der hier immer wieder zu finden ist, ist die sogenannte Explosionsdruckstoßfestigkeit, die auch vereinfacht mit quasistatischen Belastungen ermittelt werden kann.
Militär und Verteidigung
Im militärischen Kontext kann die Simulation von Explosionen zur Entwicklung besserer Sprengkörper, zur Bewertung von Schutzmaßnahmen und zur Analyse von Taktiken verwendet werden.
Film und Unterhaltung
Die Filmindustrie nutzt Explosionen, um spektakuläre Effekte zu erzeugen, welche die Schauspieler und Crew nicht gefährden. Videospiele integrieren ebenfalls realistische Explosionen, um das Spielerlebnis zu verbessern.
Forschung und Bildung
Die Simulation von Explosionen ermöglicht es Forschern, das Verhalten von Explosionen in verschiedenen Umgebungen zu studieren, um ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Physik zu erlangen.
Ein Ausflug in die Praxis
Wer tiefer in das Thema eintauchen möchte, findet unter dem nachstehenden Link Angaben zu dem beiliegenden Beispiel aus der Literatur, welches wir ohne genaue Kenntnis des dort verwendeten Materialmodells nachgerechnet haben:
Hier handelt es sich um eine 10 m x 10 m große Stahlplatte mit einer Dicke von 100 mm.
Die Platte ist ringsherum fest eingespannt.
In 5 m Entfernung zündet eine Sprengladung mit 10 Tonnen TNT. Den Verlauf der Druckwelle kann man sich aus dem Standardwerk Kingery-Bulmash Blast Calculator bestimmen:
Die Auswirkungen von Druckwellen auf Gebäude und Anlagen finden Sie hier:
http://data.unsaferguard.org/iatg/en/IATG-01.80-Formulae-ammunition-management-IATG-V.3.pdf#page=35
Doch zurück zu den Rechen-Ergebnissen.
Bild 2 zeigt die plastischen Deformationen; immerhin circa 1.300 mm als Funktion der Zeit.
Bild 3 zeigt die resultierenden, plastischen Dehnungen. Das Maximum liegt bei etwas über 8% und damit noch unter der Bruchdehnung des hier betrachteten Stahls.
Bild 4 zeigt analog dazu die Spannungen nach der Explosion.
Im hier betrachteten Fall kann also nachgewiesen werden, dass eine 100 mm starke, am Rand fest verankerte Stahlplatte der Explosion von 10 Tonnen TNT noch mehr oder weniger schwer verbeult standzuhalten vermag.
Kann der Nachweis für ein angenommenes Szenario nicht geführt werden, können wir bei Merkle CAE Solutions rechnerisch optimieren, bis ein ausreichender Schutz gegeben ist.
Herausforderungen und Grenzen
Trotz der großen Fortschritte bei der Explosionssimulation gibt es noch einige Herausforderungen. Die Erstellung genauerer Modelle erfordert umfangreiche Daten, und selbst dann können unvorhersehbare Faktoren zu Abweichungen führen, da ein Szenario nie genau bekannt ist.
Dass Explosionssimulationen oft sehr rechenintensiv sind und leistungsstarke Computer erfordern, über die Merkle CAE Solutions selbstverständlich verfügt, versteht sich von selbst.
Fazit
Die Explosionssimulation hat eine erstaunliche Bandbreite von Anwendungen und ermöglicht es uns, die gefährliche Natur von Explosionen sicher zu erkunden. Sie trägt dazu bei, sicherere Umgebungen zu schaffen, die Leistungsfähigkeit von Sprengstoffen zu verbessern und sogar den Unterhaltungssektor zu bereichern. Während Herausforderungen weiterhin bestehen, wird die kontinuierliche Entwicklung dieser Technologie zweifellos unser Verständnis der Vorgänge bei Explosionen immer mehr erweitern und unsere Fähigkeit stärken, mit ihnen umzugehen.
Ihr Stefan Merkle
PS: Wenn Sie mehr zu diesem Thema wissen wollen, vereinbaren Sie einfach einen unverbindlichen Termin mit uns.
Kommentare und Antworten
Sei der Erste, der kommentiert