Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009

Das komplexe Schädigungsverhalten endlosfaserverstärkter Kunststoffe stellt ein wesentliches Hemmnis bei der Erschlie\ss ung des Leichtbaupotentials dieser Werkstoffgruppe dar. Die Entwicklung werkstoffangepasster Berechnungsmodelle, die eine zuverlässige Prognose der Verbundschädigung ermöglichen, bildet deshalb eine wichtige Grundlage für die Werkstoff- und Bauteilentwicklung hochbeanspruchter Faserverbundstrukturen. Die derzeit verfügbaren Schädigungsmodelle sind oft nur auf bestimmte Schichtaufbauten der Faserverbundlaminate anwendbar, berücksichtigen die Zwischenfaserbruchbildung nur in transversal beanspruchten Schichten oder vernachlässigen die für Faserverbunde charakteristische Streuung der Werkstoffkennwerte, die von der heterogenen Mikrostruktur und inhärenten Störstellen bestimmt wird. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb eine physikalisch begründete Modellierung des Schädigungsverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit beliebig orientierter Endlosfaserverstärkung hinsichtlich Zwischenfaserbruchbildung bei quasi-statischer und zyklischer Belastung entwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Entwicklung eines Modellansatzes, der sich durch eine möglichst breite Anwendbarkeit bezüglich des Schichtaufbaus und der Belastung der Laminate auszeichnet.:1 Einleitung 1.1 Zielstellung und Vorgehensweise 1.2 Literaturübersicht 2 Schädigung endlosfaserverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde 2.1 Begriffsabgrenzung 2.2 Definition der Rissdichte 2.3 Schädigungsphänomenologie 2.3.1 Makroskopisches Degradationsverhalten 2.3.2 Zwischenfaserbruchbildung in FKV-Laminaten 2.4 Einflussfaktoren auf die Rissbildung eingebetteter Laminatschichten 2.4.1 Faserorientierung 2.4.2 Schichtdicke 2.4.3 Beanspruchungszustand 2.4.4 Stochastische Aspekte der Rissbildung 2.4.5 Besonderheiten bei Ermüdungsbelastung 2.5 Modellierung der Vielfachrissbildung in FKV-Laminaten 2.5.1 Finite Bruchmechanik 2.5.2 Shear-Lag-Analyse 2.5.3 Bruchkriterien zur Bestimmung der Rissbildung in mehrschichtigen Faser-Kunststoff-Verbunden 3 Experimentelle Charakterisierung der Zwischenfaserbruchbildung 3.1 Werkstoffe und Prüfkörperfertigung 3.2 Bestimmung der Werkstoffeigenschaften der unidirektionalen Einzelschicht 3.2.1 Prüfmethoden und -ablauf 3.2.2 Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung 3.3 Prüfmethodik für multiaxial faserverstärkte Mehrschichtverbunde 3.3.1 Prüfkörpergeometrie und Prüfaufbau 3.3.2 Festlegung des Prüfprogramms 3.3.3 Schädigungsquantifizierung mittels Durchlichtfotografie 3.3.4 Ermittlung des Eigenspannungszustands in eingebetteten Laminatschichten 3.4 Ergebnisse der Schädigungsanalyse 3.4.1 Rissinitiierung und -wachstum unter quasi-statischer Belastung 3.4.2 Rissinitiierung unter zyklischer Belastung 3.4.3 Risswachstum unter zyklischer Belastung 3.4.4 Rissinteraktion 4 Modellierung der Rissbildung endlosfaserverstärkter Kunststoffe 4.1 Konstitutive Beziehungen des Laminats im Ausgangsmodell 4.2 Modellerweiterungen 4.2.1 Energiefreisetzungsrate eingebetteter Laminatschichten beliebiger Faserorientierung 4.2.2 Modellierung peripherer Laminatschichten 4.2.3 LokaleBetrachtung der Rissbildung 4.2.4 Berücksichtigung von Eigenspannung 4.2.5 Stochastische Aspekte der Rissbildung 4.2.6 Störstelleninduzierte Rissbildung 4.2.7 Rissspitzendelaminationen 4.2.8 Bruchkriterium für quasi-statische Belastung 4.2.9 Kriterien zur Bewertung von Rissinitiierung und Risswachstum bei Ermüdungsbelastung 4.3 Modellierungsablauf und kalibrierte Parameter 5 Verifikation und Validierung des Schädigungsmodells 5.1 Verifikation für quasi-statische Belastung 5.2 Verifikation für zyklische Belastung 5.3 Validierung mit verändertem Laminataufbau 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis A Anhang A.1 Übersicht ausgewählter Modellansätze der Finiten Bruchmechanik A.2 Prüfkörpergeometrien für bruchmechanische Untersuchungen A.3 Prüfaufbau für bruchmechanische Untersuchungen A.4 Prüfplan für zyklische Laminatversuche A.5 Ergebnisse der Rissdichtebestimmungen bei Ermüdungsbelastung

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