The use of fibre composites in the design of load carrying aircraft structures has been increasing over the last few decades. At the same time, aluminium alloys are still present in many structural parts, which has led to an increase of the number of hybrid composite-aluminium structures. Often, these materials are joined at their interface by bolted connections. Due to their different response to thermal, mechanical and environmental impact, the composite and the aluminium alloy parts are subject to different design and certification practices and are therefore considered separately.The current methodologies used in the aircraft industry lack well-developed methods to account for the effects of the mismatch of material properties at the interface.One such effect is the thermally induced load which arises at elevated temperature due to the different thermal expansion properties of the constituent materials. With a growing number of hybrid structures, these matters need to be addressed.  The rapid growth of computational power and development of simulation tools in recent years have made it possible to evaluate the material and structural response of hybrid structures without having to entirely rely on complex and expensive testing procedures.However, as the failure process of composite materials is not entirely understood, further research efforts are needed in order to develop reliable material models for the existing simulation tools. The work presented in this dissertation involves modelling and testing of bolted joints in hybrid composite-aluminium structures.The main focus is directed towards understanding the failure behaviour of the composite material under static and fatigue loading, and how to include this behaviour in large scale models of a typical bolted airframe structure in an efficient way. In addition to that, the influence of thermally induced loads on the strength and fatigue life is evaluated in order to establish a design strategy that can be used in the industrial context. The dissertation is divided into two parts. In the first one, the background and the theory are presented while the second one consists of five scientific papers.

The thesis deals with vibrations caused by geometric defect and fatigue damage of rolling element bearing. Hardware for vibration measurement is tested on 25 new pieces of NJ 304. Second part of the thesis examines if measuring of bearing vibration can help to detect a geometric defect. Geometric defects are detected according to a spectrum of vibration but the results are not absolutely exact. The possibility to detect geometric defects by measuring vibration has not been proven. The end of project tests diagnostic methods for rolling element bearings. The bearing defect was simulated to demonstrate bearing failure frequencies, envelope method and vibration spectrum.

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la surveillance des machines tournantes en régime non stationnaire et plus particulièrement la détection des défauts de roulement. Il se focalise sur la modélisation et l'analyse des variations de la vitesse de rotation instantanée. Les modèles numériques développés s'appuient sur une approche originale dite " angulaire " qui introduit explicitement les degrés de rotation libres de la machine et permet de s'affranchir de condition de fonctionnement en régime stationnaire. Un modèle de roulement à billes à gorge profonde a été développé couplant les efforts de contact normaux et tangentiels grâce à l'introduction du phénomène de résistance au roulement. Ce couplage permet d'expliquer l'origine des fluctuations de vitesse de rotation en présence de défaut de bague extérieure, phénomènes constatés expérimentalement : la présence d'un défaut sur une bague modifie périodiquement le couple de frottement. La modélisation de la liaison par engrenages est plus classique, la problématique a été de s'assurer qu'elle était compatible avec l'approche angulaire utilisée dans ces travaux. Le couplage des éléments de roulement et d'engrenage dans un modèle simple a montré que la présence de défauts de roulement provoque des variations des efforts radiaux ce qui modifie les efforts d'engrènement et en conséquence perturbe également la vitesse de rotation. Un modèle simplifié d'une éolienne a été réalisé et utilisé pour tester et valider des indicateurs spectraux de surveillance en conditions de fonctionnement non stationnaires. La comparaison avec des mesures expérimentales issues d'une éolienne a montré la robustesse du modèle. Il peut donc être exploité comme un outil d'analyse phénoménologique et de test d'indicateurs de surveillance. Il a par exemple permis de montrer l'importance des conditions de fonctionnement (charge et vitesse) sur le niveau des indicateurs utilisés en surveillance. Si besoin, les développements proposés peuvent être étendus sans difficulté à des modèles plus complexes de roulements, d'engrènements et de structures d'accueil de ces éléments technologiques. / This work has been developed within the framework of non-stationary rotating machinery surveillance with emphasis on the detection of roller bearing defects. It focuses on the modeling and analysis of instantaneous angular speed variations. The numerical models developed are based on an ``angular" approach which introduces explicitly the machine's free body rotation degrees of freedom allowing simulations in non stationary operating conditions. A deep groove ball bearing model has been developed coupling tangential and normal forces by taking into account the rolling resistance phenomenon. This coupling allows to explain the origin of angular speed fluctuations in the presence of outer race roller bearing defects, phenomena that has been observed experimentally: a roller bearing defect periodically modifies the friction torque. The description of the gear mesh has been performed by means of a classic approach where the scientific issue has been to verify the compatibility with the angular modeling, cornerstone of this dissertation. Integration of the roller bearing and the gear modeling approaches into a simple mechanical architecture has shown that the presence of bearing defects provoking variations in the rolling element-races normal forces, modifies the gear mesh forces leading to perturbations of the angular speed. A simplified wind turbine model has been used for the test and validation of non stationary surveillance spectral indicators. The robustness of the model has been shown by means of a comparison with measurements performed on a wind turbine. It has allowed to show the importance of the operating conditions (load and speed), on the level of indicators used. This means the model may be used as a tool for phenomenological analyses as well as a device to test surveillance indicators. If needed, the approaches presented may be easily extended into more complex models of bearings, gears, casings and foundations.

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Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sollen in kommenden Fahrzeugprojekten in verstärkter Weise zur Reduzierung des Karosseriegewichtes beitragen. Neue Werkstoffe und Einsatzbedingungen erfordern jedoch in gleichem Maße angepasste Konstruktionen und innovative Fügetechnologien. Um die Realisierung der Gewichtseinsparpotenziale in wirtschaftlich attraktiver Weise zu ermöglichen, muss daher die Fügbarkeit von CFK-Stahl-Verbindungen mittels umformtechnischer Prozesse gewährleistet werden. Insbesondere der bisher unbekannte Einfluss von Fügeimperfektionen stellt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Hemmschwelle für den industriellen Einsatz von CFK im Karosseriebau dar. Um sowohl die Einflüsse von Seiten des umformtechnischen Fügens als auch des werkstofflichen Einsatzgebietes CFK zu berücksichtigen, werden im Rahmen dieser Arbeit alle Teilgebiete der Fügbarkeit inklusive der Wechselbeziehungen zwischen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung analysiert. Aus dem Verständnis der Fügbarkeit als ganzheitliche, globale Querschnittsfunktion und der damit notwendigen Einbeziehung der Produktentstehungs- und Produktnutzungsprozesse wird zudem eine Ergänzung der Fügbarkeit um den Prozesskettengedanken vorgenommen. Durch analytische und experimentelle Betrachtungen wurde eine auf Regressionsanalysen basierende Methodik, bestehend aus der Einbringung, Quantifizierung und Einflussbewertung von Imperfektionen, entwickelt und validiert. Über diese Methodik kann der Einfluss von Fügeimperfektionen gezielt untersucht und beschrieben werden. Die getätigten Untersuchungen wurden zudem zur Weiterentwicklung geeigneter Fügeverfahren für den Einsatz bei CFK-Mischverbindungen genutzt und die gesammelten Erkenntnisse anschließend in Konstruktionshinweise überführt. Nach der Bewertung aller Herausforderungen, die für das Fügen in der automobilen Prozesskette wesentlich sind, kann die Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen mittels umformtechnischer Prozesse als gegeben betrachtet werden. Somit ergibt sich für CFK als Leichtbauwerkstoff, neben der Luftfahrtindustrie, in der Automobilbranche ein weiteres Einsatzfeld im Transportwesen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse dienten so auch als Grundlage für den weltweit ersten industriellen Einsatz des Halbhohlstanznietens bei CFK-Stahl-Verbindungen im neuen BMW 7er.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sollen in kommenden Fahrzeugprojekten in verstärkter Weise zur Reduzierung des Karosseriegewichtes beitragen. Neue Werkstoffe und Einsatzbedingungen erfordern jedoch in gleichem Maße angepasste Konstruktionen und innovative Fügetechnologien. Um die Realisierung der Gewichtseinsparpotenziale in wirtschaftlich attraktiver Weise zu ermöglichen, muss daher die Fügbarkeit von CFK-Stahl-Verbindungen mittels umformtechnischer Prozesse gewährleistet werden. Insbesondere der bisher unbekannte Einfluss von Fügeimperfektionen stellt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Hemmschwelle für den industriellen Einsatz von CFK im Karosseriebau dar. Um sowohl die Einflüsse von Seiten des umformtechnischen Fügens als auch des werkstofflichen Einsatzgebietes CFK zu berücksichtigen, werden im Rahmen dieser Arbeit alle Teilgebiete der Fügbarkeit inklusive der Wechselbeziehungen zwischen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung analysiert. Aus dem Verständnis der Fügbarkeit als ganzheitliche, globale Querschnittsfunktion und der damit notwendigen Einbeziehung der Produktentstehungs- und Produktnutzungsprozesse wird zudem eine Ergänzung der Fügbarkeit um den Prozesskettengedanken vorgenommen. Durch analytische und experimentelle Betrachtungen wurde eine auf Regressionsanalysen basierende Methodik, bestehend aus der Einbringung, Quantifizierung und Einflussbewertung von Imperfektionen, entwickelt und validiert. Über diese Methodik kann der Einfluss von Fügeimperfektionen gezielt untersucht und beschrieben werden. Die getätigten Untersuchungen wurden zudem zur Weiterentwicklung geeigneter Fügeverfahren für den Einsatz bei CFK-Mischverbindungen genutzt und die gesammelten Erkenntnisse anschließend in Konstruktionshinweise überführt. Nach der Bewertung aller Herausforderungen, die für das Fügen in der automobilen Prozesskette wesentlich sind, kann die Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen mittels umformtechnischer Prozesse als gegeben betrachtet werden. Somit ergibt sich für CFK als Leichtbauwerkstoff, neben der Luftfahrtindustrie, in der Automobilbranche ein weiteres Einsatzfeld im Transportwesen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse dienten so auch als Grundlage für den weltweit ersten industriellen Einsatz des Halbhohlstanznietens bei CFK-Stahl-Verbindungen im neuen BMW 7er.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER TECHNIK 2.1 Mischbau mit CFK im Karosseriebau 2.2 Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen 2.2.1 Fügeeignung von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 2.2.2 Fügemöglichkeit von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 2.2.2.1 Blindnieten 2.2.2.2 Fließformschrauben 2.2.2.3 Stanznieten mit Halbhohlniet 2.2.2.4 Stanznieten mit Vollniet 2.2.3 Fügesicherheit von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 3 UNTERSUCHUNGSZIEL UND WISSENSCHAFTLICHER ANSATZ 4 ANALYTISCHE BETRACHTUNGEN UND MODELLBILDUNG 4.1 Fügeeignung 4.1.1 Bauteilimperfektionen 4.1.2 Fügeimperfektionen 4.1.2.1 Klassifizierung von Fügeimperfektionen 4.1.2.2 Entwicklung einer Methodik zur Einbringung von Fügeimperfektionen 4.1.2.3 Analyse der in-plane Schubfestigkeit 4.1.2.4 Analyse der Zugfestigkeit in x-Richtung 4.1.2.5 Analyse der Lochleibungsfestigkeit 4.1.2.6 Analyse des Elementdurchzugversagens 4.1.2.7 Analyse des Verhaltens von mit Klebstoff hybrid gefügten Fügeverbindungen 4.2 Fügemöglichkeit 4.2.1 Blindnieten 4.2.2 Fließformschrauben 4.2.2.1 Parameteruntersuchung: Bit-Kraft und Drehzahl 4.2.2.2 Parameteruntersuchung: Anzugsmoment 4.2.2.3 Parameteruntersuchung: Vorlochdurchmesser 4.2.2.4 Elemententwicklung 4.2.3 Stanznieten mit Halbhohlniet 4.2.4 Stanznieten mit Vollniet 4.2.5 Delta-Alpha-Problematik 4.3 Fügesicherheit 4.3.1 Analyse des Scherbruchversagens 4.3.2 Verhalten unter verschiedenen Belastungszuständen 5 EXPERIMENTELLE BETRACHTUNGEN 5.1 Untersuchungsmethodik 5.1.1 Versuchswerkstoffe 5.1.2 Fügeelemente 5.1.3 Probengeometrien 5.1.4 Fügeeinrichtungen 5.1.5 Prüfmethoden 5.2 Fügeeignung 5.2.1 Bauteilimperfektionen 5.2.2 Fügeimperfektionen 5.2.2.1 Validierung einer zerstörungsfreien Prüfmethodik 5.2.2.2 Validierung der entwickelten Methodik zur Einbringung von Fügeimperfektionen 5.2.2.3 Auswirkungen auf die in-plane Schubfestigkeit 5.2.2.4 Auswirkungen auf die Zugfestigkeit in x-Richtung 5.2.2.5 Auswirkungen auf die Lochleibungsfestigkeit 5.2.2.6 Auswirkungen auf das Elementdurchzugversagen 5.2.2.7 Auswirkungen auf das Verhalten von mit Klebstoff hybrid gefügten Verbindungen 5.3 Fügemöglichkeit 5.3.1 Fließformschrauben 5.3.1.1 Parameteruntersuchung: Bit-Kraft und Drehzahl 5.3.1.2 Parameteruntersuchung: Anzugsmoment 5.3.1.3 Parameteruntersuchung: Vorlochdurchmesser 5.3.1.4 Elemententwicklung 5.3.2 Stanznieten mit Halbhohlniet 5.3.2.1 Parameteruntersuchungen 5.3.2.2 Elemententwicklung 5.3.3 Stanznieten mit Vollniet 5.4 Fügesicherheit 5.4.1 Experimentelle Analyse des Scherbruchversagens 5.4.2 Verhalten unter quasistatischer Belastung 5.4.2.1 Verhalten bei Raumtemperatur 5.4.2.2 Verhalten bei verschiedenen Einsatztemperaturen 5.4.3 Verhalten unter dynamischer Belastung 5.4.3.1 Verhalten unter dynamisch crashartiger Belastung 5.4.3.2 Verhalten unter dynamisch zyklischer Belastung 5.4.4 Verhalten unter korrosiver Belastung 5.5 Ableitung von Konstruktionsrichtlinien 6 FÜGBARKEIT VON CFK-MISCHVERBINDUNGEN IM KAROSSERIEBAU 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK