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Filament wound composite structures are widely used in the field of pressure vessels, tubes, pipelines or rocket cases. The mechanical behavior of these structures is typically different from those of flat laminated structures due to an alternating lay-up sequence, winding tension and manufacturing induced imperfections. However, design and analysis issues require the same engineering data as used for laminated structures in general. It has therefore become necessary to establish an accompanying quality assurance procedure following the production process to identify the material properties of the manufactured tubes especially for the single layer. Consequently, there are three different approaches of determining the elastic moduli and tensile strengths of a filament wound laminate. Either specimens are resected from a curved tube, from a tube with plane areas or standardized flat specimens are manufactured under deviating production conditions. All approaches entail disadvantages, whether in terms of manufacturing or testing parameters including geometry, lay-up sequence, porosity, fiber tension and load direction. This study presents the discrepancies in the determination of mechanical properties of a filament wound glass-fiber-reinforced polymer tube on curved or cylindrical specimens and flat specimens produced to meet the specifications of international standards. In order to obtain material properties not only in longitudinal but also in transverse direction of the tubes, the so-called split-disk tensile test modeled after ASTM Standard D 2290, is used with tube segments.The procedures of specimen production and preparation are described in detail. Material properties such as the fiber volume and void content of the composite specimens are conducted in order to consider quality and production differences. Finally tensile tests are performed and the results are compared and discussed.

Die vorliegende Arbeit beschreibt empirische, analytische und numerische Untersuchungen an zylindrischen Klebstoffverbindungen unter Biegebelastungen. Die Klebstoffverbindung zwischen dem isotropen und anisotropen Fügepartner ist als zylindrische Überlappverbindung ausgeführt. Der äußere Fügepartner besteht aus einer Aluminiumlegierung während der innere Fügepatrner aus glasfaserverstärktem Kunststoff im Filament-Winding-Verfahren hergestellt ist. Die Klebstoffschicht des hochtemperaturvernetzenden Epoxidklebstoffs hat eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Die Biegebelastung wird, analog eines Kragträgers, durch eine Querkraftbelastung und eine feste Einspannung in der Verbindung hervorgerufen. Ziel dieser Arbeit ist die Identifizierung und Qualifizierung von konstruktiven Einflussfaktoren, welche für die Dimensionierung maßgebliche Bedeutung besitzen. Die Grundlage bildet dabei ein analytisches Berechnungsverfahren welches die Schubspannungsverteilung in der Klebstoffschicht vereinfacht beschreibt. Umfangreiche Materialcharakterisierungen des Klebstoffsystems sowie des glasfaserverstärkten Kunststofffügepartners stellen die Grundlage der analytischen und numerischen Berechnungsverfahren. Aufbauend auf einer globalen Betrachtung des Kraftübertragungsmechanismus werden detaillierte Untersuchungen der Fügepartnersteifigkeiten, des Anisotropiegrads sowie der Überlappungslänge durchgeführt. All diese Parameterstudien werden hinsichtlich ihrer Wirkprinzipien diskutiert und mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen abgeglichen. Es zeigte sich eine generell gute Übereinstimmung zwischen den Resultaten des analytischen Modells, den Finite-Elemente-Simulationen und den experimentellen Befunden. Im Rahmen einer Verformungsanalyse zeigte sich der Effekt einer lokalen Sekundärbiegung der Verbindung, welcher durch die exzentrische Anordnung der Fügeteile hervorgerufen wird. In Bezug auf die Längsverzerrungen der Fügepartner und die resultierenden Schubspannungen in der Klebstoffschicht wurde eine klare Analogie zu ebenen und axial belasteten Überlappverbindungen erkannt. Fundamentale Zusammenhänge, wie die konvergierende Abhängigkeit zwischen der maximalen Schubspannungsspitze und der Überlappungslänge oder der Beziehung zwischen den Fügeteilsteifigkeiten und der Schubspannungsverteilung, sind entsprechend der Untersuchungen auch für zylindrische Überlappverbindungen gültig. Bei Biegebelastung sind jedoch die Flächenträgheitsmomente und nicht die Querschnittsflächen der Fügepartner für den Schubspannungsverlauf in der Klebstoffschicht prägend. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Radius der zylindrischen Verbindung bei axialer Belastung in einer indirekt proportionalen Beziehung zum mittleren Schubspannungsniveau steht. Bei Biegebelastung ist diese Beziehung jedoch indirekt quadratisch, wodurch der Durchmesser der zylindrischen Verbindung in diesem Kontext einen deutlich höheren Einfluss aufweist. In Bezug auf den anisotropen Fügepartner wurde dessen Längssteifigkeit als prägend für die Schubspannungsverteilung identifiziert.