The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

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