Як обчислити силу, необхідну для проколювання HDPE?

У мене аркуш HDPE на . Я хочу проколоти шкіру цього аркуша -високою шпилькою з площею поверхні . Штифт також виготовлений з HDPE і повністю охолонув. Якщо модуль Янга для HDPE дорівнює , яку силу потрібно застосувати, щоб охолоджений штифт HDPE досяг розплавленого шару листа HDPE на рівні ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

ОНОВЛЕННЯ: Мені сказали, що штифт повинен повністю приваритися до шару HDPE. Виходячи з температури розплаву HDPE і початкової температури штифта, я просто не думаю, що це можливо за 2 хвилини до того, як матеріал буде гасити. Я намагався визначити швидкість передачі тепла, але не можу знайти коефіцієнт теплопровідності контактного контакту або термічний опір контакту. Пошук в Інтернеті виявив інструмент "CoCoE.exe", але виникли проблеми із запуском програми на моєму комп’ютері.

Більше описового зображення

materials temperature

— Вільям Б.
джерело

Почавши переробляти аналіз, я зрозумів, що це досить складний процес, і натомість я накресліть, що б я зробив, щоб вирішити це, якби у мене було більше часу.

По-перше, я зробив кілька припущень:

ідеально пластична поведінка HDPE (тобто крива напруження деформації після виходу плоска)
теплова конвекція від плоскої поверхні не має значення (хоча вона враховується для штифта)
шпилька має адіабатичний наконечник
метал знаходиться при постійній температурі
штифт пронизує поверхню, коли енергія, поглинена циліндричною частиною матеріалу безпосередньо під ним, перевищує в'язкість матеріалу, помножену на об'єм циліндричної частини матеріалу (я можу пояснити це по-різному, якщо бажаю.)
контактний опір зменшується, коли HDPE плавиться (не знаю, як)
деякі властивості матеріалу можуть надходити з цього документа, а інші - з цього аркуша даних та цієї книги (ці дані можуть бути, а можуть і не бути дійсними для HDPE, який у вас є)
Я не впевнений, яке значення коефіцієнта конвективного теплопередачі для штифта є дійсним, і мені доведеться більше про це думати.
теплота плавлення надходить з цього інформаційного листа

Враховуючи всю цю інформацію, ви можете написати 1D розв'язувач теплопередачі для проблеми Стефана для обчислення температури та товщини твердої шкіри. Звідти ви можете використовувати температуру шкіри, щоб знайти стрес врожайності. Моя проста модель пропонує, що . $F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

Стара відповідь:

Відповідь, ймовірно, дорівнює нульовій силі або майже так, оскільки температура плавлення HDPE становить приблизно 266 F ( тут повідомляється про трохи вище, при 279 F ), тому HDPE, ймовірно, вже розплавився при зазначеній температурі. Розплавлений шар ви зустрінете одразу після дотику до поверхні (принаймні, якщо температура достатньо рівномірна).

Якщо температурний діапазон невірний, я думаю, що я можу скласти оцінку, припускаючи, що HDPE - це ідеально пластичний матеріал, що імплікатор плоский і деякі інші речі, а потім змінити свою відповідь. Дайте мені знати, чи вам це сподобається.

Крім того, якщо ви хочете оцінити силу, необхідну для продовження проникнення в середовище, я можу знайти стару термінальну балістичну книгу, яку я прочитав, яка містить деякі моделі для таких речей, але я не знаю, наскільки вони точні.

— Бен Треттел
джерело

Матеріал, який я використовую, має температуру плавлення 260F, але мені сказали, що лист знаходиться на рівні 280-320F, коли штифт контактує з листом. Матеріал видувається, і до того, як роздувається, моя частина вставляється. Коли форма закривається, вона замикається на моїй частині та аркуші HDPE, нібито створюючи зварний шар. На аркуші має бути шкіра, яка охолоджується, перш ніж моя частина торкнеться її. Я не впевнений, наскільки щільною була б ця шкіра.

— Вільям Б.

Дякую за відповідь. Чи можете ви відредагувати своє запитання, щоб мати якийсь малюнок? У мене виникають проблеми з візуалізацією того, що ви описуєте, і вважаю, що простий малюнок прояснить речі. Опишіть також, як нагрівається лист, наприклад, нагрівається він до тих пір, поки він не досягне потрібної температури і потім дасть йому охолонути? Якщо так, то як довго можна охолоджувати? Він нагрівається постійно, а потім штифт вдаряється? Як довго він нагрівається? І т. Д.

— Бен Треттел

Товщину шкіри, ймовірно, можна оцінити за допомогою одноденної моделі передачі тепла, якщо відомі (або вимірювані) коефіцієнти теплопередачі та теплопровідність. Як зауважив Бен Треттел, було б корисно уточнити питання.

— wwarriner

@starrise: Так, я збирався спробувати те саме. Структура мого передбачуваного підходу: Оцініть товщину матеріалу на основі 1D моделі передачі тепла ( ускладнюється зміною фази ). Тоді, якщо припустити, що рідка фаза не враховує обчислення, обчисліть міцність матеріалу, вважаючи, що він ідеально пластичний, і використовуйте його, щоб отримати оцінку енергії, необхідної для його проникнення. Пропозиції вітаються. Відповідь, яку ви отримаєте таким чином, точно буде дуже приблизною, але, сподіваємось, досить точною.

— Бен Треттел

Я зрозумів минулої ночі, що просять силу , а не енергію. Я думаю, що енергія є більш доречною, але в моделі, яку я мав намір використати (ідеально пластична, якщо припускати стиснення лише циліндричного вирізу матеріалу), сила буде де - напруга плинності, а - контактна область. Тут є велика кількість припущень та наближень (не всі вони вмістяться в коментарі), але в цьому наближенні головне питання полягає у знаходженні напруги плинності, яке може бути невідомо температурі твердої плівки.

F = σ_{y} A

$F = \sigma_\text{y} A$

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$

— Бен Треттель