Come calcolo la forza necessaria per perforare l'HDPE?

Ho un foglio di HDPE a . Voglio perforare la pelle di questo foglio con un perno alto con una superficie di . Anche il perno è realizzato in HDPE e si è completamente raffreddato. Con il modulo Young di HDPE di , quanta forza devo applicare per fare in modo che il pin HDPE raffreddato raggiunga lo strato fuso del foglio di HDPE a ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

AGGIORNAMENTO: Mi è stato detto che il perno dovrebbe saldare completamente allo strato di HDPE. In base alla temperatura di fusione dell'HDPE e alla temperatura iniziale del pin, non penso che sia possibile nei 2 minuti prima dell'estinzione del materiale. Ho tentato di capire la velocità di trasferimento del calore, ma non riesco a trovare il coefficiente di conduttanza del contatto termico o la resistenza del contatto termico. La ricerca online ha rivelato uno strumento "CoCoE.exe" ma si è verificato un problema durante l'esecuzione del programma sul mio computer.

Immagine più descrittiva

materials temperature

— William B.
fonte

Dopo aver iniziato a ripetere l'analisi, ho capito che si tratta di un processo abbastanza complicato, e invece illustrerò cosa farei per risolverlo se avessi più tempo.

Innanzitutto, alcune ipotesi che farei:

comportamento perfettamente plastico dell'HDPE (ovvero, la curva di sollecitazione è piatta dopo il cedimento)
la convezione termica dalla superficie piana è irrilevante (sebbene sia presa in considerazione per il perno)
il perno ha una punta adiabatica
il metallo è a temperatura costante
il perno perfora la superficie quando l'energia assorbita da una porzione cilindrica del materiale direttamente al di sotto di essa supera la tenacità del materiale moltiplicata per il volume della porzione cilindrica del materiale (posso spiegarlo diversamente se lo si desidera).
la resistenza di contatto diminuisce quando l'HDPE si scioglie (non sono sicuro di come)
alcune proprietà del materiale possono provenire da questo documento e altre da questa scheda tecnica e da questo libro (questi dati potrebbero essere o meno validi per l'HDPE in uso)
Non sono sicuro di quale valore del coefficiente di trasferimento del calore convettivo per il pin sia valido e dovrei pensarci di più.
Il calore di fusione proviene da questa scheda tecnica

$F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

Vecchia risposta:

La risposta è probabilmente zero forza o quasi, perché la temperatura di fusione dell'HDPE è di circa 266 F ( è riportata qui un po 'più alta a 279 F ), quindi l'HDPE probabilmente si è già sciolto alla temperatura specificata. Incontrerai lo strato fuso immediatamente dopo aver toccato la superficie (almeno se la temperatura è abbastanza uniforme).

Se l'intervallo di temperatura è sbagliato, penso di poter sviluppare una stima supponendo che l'HDPE sia un materiale perfettamente plastico, che l'impatto sia piatto e alcune altre cose, e quindi cambi la mia risposta. Fammi sapere se ti piacerebbe.

Inoltre, se vuoi una stima della forza richiesta per continuare a penetrare nel mezzo, posso trovare un vecchio libro balistico terminale che ho letto che ha alcuni modelli per tali cose, ma non so quanto siano precisi.

— Ben Trettel
fonte

Il materiale che sto usando ha un punto di fusione di 260F, ma mi è stato detto che il foglio è a 280-320F quando il perno entra in contatto con il foglio. Il materiale viene soffiato e prima di essere aperto, la mia parte viene inserita. Quando lo stampo si chiude, si blocca sulla mia parte e sul foglio di HDPE, presumibilmente creando una saldatura. Dovrebbe esserci una pelle che si forma sul foglio mentre si raffredda, prima che la mia parte lo tocchi. Non sono sicuro di quanto sarebbe spessa quella pelle.

— William B.

Grazie per la risposta. Puoi modificare la tua domanda per avere un disegno di qualche tipo? Ho difficoltà a visualizzare ciò che stai descrivendo e credo che un semplice disegno possa chiarire le cose. Descrivi anche come viene riscaldato il foglio, ad esempio, viene riscaldato fino a quando non raggiunge la giusta temperatura e quindi lasciato raffreddare? In tal caso, per quanto tempo può raffreddarsi? Viene riscaldato continuamente e quindi il perno lo colpisce? Per quanto tempo viene riscaldato? Ecc.

— Ben Trettel,

Lo spessore della pelle potrebbe probabilmente essere stimato da un modello di trasferimento di calore 1-D se i coefficienti di trasferimento di calore e la conducibilità termica sono noti (o misurabili). Come ha osservato Ben Trettel, alcuni chiarimenti sulla domanda sarebbero utili.

— wwarriner,

@starrise: Sì, avrei provato la stessa cosa. Schema del mio approccio previsto: stimare lo spessore del materiale in base al modello di trasferimento di calore 1D ( complicato dal cambio di fase ). Quindi, supponendo che la fase liquida non influisca sul calcolo, calcola la tenacità del materiale assumendo che sia perfettamente plastica e utilizzalo per ottenere una stima dell'energia richiesta per penetrarlo. Suggerimenti sono ben accetti La risposta che otterrai in questo modo sicuramente sarà molto approssimativa, ma si spera abbastanza accurata.

— Ben Trettel,

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$