Diese Fallstudie beschreibt die Entwicklung und Optimierung einer gewichtsoptimierten Beschusssicherung für gepanzerte PKW, LKW und Nutzfahrzeugeden. Im Mittelpunkt steht die Reduktion der Gesamtmasse unter Erhalt der Schutzwirkung gegen Maschinengewehrbeschuss (7.62 mm AP) und Explosionen (Granatdruckwelle). Besonderes Augenmerk liegt auf der Einhaltung der Führerscheingrenze für zivil zugelassene Fahrzeuge mit einem maximalen zulässigen Gesamtgewicht von 3.5 Tonnen. Hierfür kommen ganzheitliche Leichtbauprinzipien sowie kombinierte analytisch-numerische Optimierungsstrategien zum Einsatz.
Die Ausgangssituation
Ein führender Spezialausrüster für gepanzerte Zivilfahrzeuge beauftragte die Entwicklung eines modularen Panzerungssystems für PKW und leichte LKW. Die Herausforderung: Einhaltung der STANAG 4569 Level 2 bzw. VPAM BRV 2009 Schutzklassen, ohne die Führerscheingrenze von 3.5 Tonnen zu überschreiten. Das Fahrzeug soll zivil zugelassen sein und dabei Schutz gegen ballistische und explosive Bedrohungen bieten.
Die Herausforderung
Die Schutzsysteme müssen vor Beschuss durch Hartkernmunition sowie Druckwellen nach Explosion schützen. Die Explosion erzeugt eine Überdruckfront, welche strukturelle Lastspitzen verursacht. Gleichzeitig muss die Fahrzeugbalance erhalten bleiben, um Fahrverhalten und Sicherheit zu gewährleisten.
Die Lastannahmen umfassen:
Ballistik: 7.62 mm AP-Projektil bei 830 m/s
Explosionslast: Druckwelle mit einem Peak-Überdruck von 1.5 bar und Anstiegszeiten <1 ms
Interdisziplinärer Ansatz
Materialleichtbau: Einsatz keramischer Platten, wölbstrukturierter Sandwichsysteme zur Lastverteilung, Faserverbunde (z. B. UHMWPE, Aramid), hybridisiert mit Aluminium- Sandwichplatten
Struktureller Leichtbau: Topologie- und Topographieoptimierung primärer und sekundärer Trägerstrukturen mittels nichtlinearer FEM
Systemleichtbau: Analyse von Schwerpunkt, Trägheitsmomenten und Aufbaulastverteilung zur Masseneinsparung auf Systemebene
FE-Lastsimulationen: Einsatz von speziellen nichtlinearen expliziten FE-Solvern (lagrange) zur Beschreibung des Projektil-Impacts mit Materialversagen; CFD-FEM-Kopplung zur Modellierung von Druckwellen
Multiskalenmodellierung: Detailanalyse einzelner Lagen zur Beschreibung von Delamination, Fragmentation und Energieabsorption
Das Ergebnis
Die Innenausstattung des Fahrzeugs, die Panzerung sowie periphere Bereiche konnten ganzheitlich optimiert werden. Es konnte eine Masseeinsparung von ca. 30 % erzielt werden. Das Fahrzeug erfüllt weiterhin die Schutzanforderungen gemäß VPAM BRV 2009 Level VR7 und STANAG 4569 Level 2. Das zulässige Gesamtgewicht bleibt mit 3.2 Tonnen unterhalb der 3.5 Tonnen-Grenze für zivile Führerscheinklassen. Durch modulare Anbausysteme ist die Schutzwirkung missionsspezifisch skalierbar
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