Jak obliczyć siłę wymaganą do przebicia HDPE?

Mam arkusz HDPE w . Chcę przebić skórkę tego arkusza szpilką o wysokości o powierzchni . Szpilka jest również wykonana z HDPE i całkowicie się ochłodziła. Skoro moduł Younga HDPE wynosi , jaką siłę muszę zastosować, aby schłodzony kołek HDPE dotarł do stopionej warstwy arkusza HDPE w ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

AKTUALIZACJA: Powiedziano mi, że szpilka ma całkowicie zespawać się z warstwą HDPE. W oparciu o temperaturę topnienia HDPE i temperaturę początkową sworznia, po prostu nie sądzę, że jest to możliwe na 2 minuty przed wygaszeniem materiału. Próbowałem obliczyć szybkość przenikania ciepła, ale nie mogę znaleźć współczynnika przewodności cieplnej lub rezystancji cieplnej. Podczas wyszukiwania w Internecie pojawiło się narzędzie „CoCoE.exe”, ale miał problem z uruchomieniem programu na moim komputerze.

Bardziej opisowy obraz

materials temperature

— William B.
źródło

Po rozpoczęciu ponownej analizy doszedłem do wniosku, że jest to dość skomplikowany proces i zamiast tego opiszę, co zrobiłbym, aby to rozwiązać, gdybym miał więcej czasu.

Po pierwsze, poczynię pewne założenia:

doskonale plastyczne zachowanie HDPE (tj. krzywa naprężenie-odkształcenie jest płaska po poddaniu się)
konwekcja termiczna z płaskiej powierzchni jest nieistotna (choć jest brana pod uwagę dla kołka)
szpilka ma adiabatyczną końcówkę
metal ma stałą temperaturę
sworzeń przebija powierzchnię, gdy energia pochłonięta przez cylindryczną część materiału bezpośrednio pod nią przekracza wytrzymałość materiału pomnożoną przez objętość cylindrycznej części materiału (w razie potrzeby mogę to inaczej wyjaśnić).
rezystancja styku zmniejsza się w miarę topnienia HDPE (nie jestem pewien jak)
niektóre właściwości materiałów mogą pochodzić z tego papieru, a inne z tego arkusza danych i tej książki (te dane mogą, ale nie muszą być ważne dla posiadanego HDPE)
Nie jestem pewien, jaka wartość współczynnika konwekcyjnego transferu ciepła dla sworznia jest prawidłowa i musiałbym się nad tym zastanowić.
ciepło fuzji pochodzi z tego arkusza danych

Biorąc pod uwagę wszystkie te informacje, możesz napisać 1D solver przenikania ciepła dla problemu Stefana, aby obliczyć temperaturę i grubość litej skóry. Stamtąd możesz użyć temperatury skóry, aby znaleźć granicę plastyczności. Mój prosty model sugeruje, że . $F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

Stara odpowiedź:

Odpowiedź jest prawdopodobnie zerową siłą lub prawie taką, ponieważ temperatura topnienia HDPE wynosi około 266 F (tutaj jest tu nieco wyższa przy 279 F ), więc HDPE prawdopodobnie już stopił się w określonej temperaturze. Stopioną warstwę spotkasz natychmiast po dotknięciu powierzchni (przynajmniej jeśli temperatura będzie wystarczająco jednorodna).

Jeśli zakres temperatur jest nieprawidłowy, myślę, że mogę opracować oszacowanie, zakładając, że HDPE jest materiałem doskonale plastycznym, że impacter jest płaski i kilka innych rzeczy, a następnie zmień moją odpowiedź. Daj mi znać, jeśli chcesz.

Ponadto, jeśli chcesz oszacować siłę potrzebną do kontynuowania penetracji medium, mogę znaleźć starą terminalną książkę balistyki, którą przeczytałem, i która ma pewne modele dla takich rzeczy, ale nie wiem, jak dokładne są one.

— Ben Trettel
źródło

Materiał, którego używam, ma temperaturę topnienia 260F, ale powiedziano mi, że arkusz ma temperaturę 280-320F, kiedy szpilka styka się z arkuszem. Materiał jest formowany przez rozdmuchiwanie, a przed rozdmuchiwaniem otwierana jest moja część. Kiedy forma zamyka się, zaciska się na mojej części i arkuszu HDPE, prawdopodobnie tworząc spoinę. Powinna być skóra, która tworzy się na prześcieradle, gdy ostygnie, zanim moja część go dotknie. Nie jestem pewien, jak gruba byłaby ta skóra.

— William B.

Dziękuję za odpowiedź. Czy możesz edytować swoje pytanie, aby mieć jakiś rysunek? Mam problem z wizualizacją tego, co opisujesz, i wierzę, że prosty rysunek wyjaśniłby różne rzeczy. Opisz także, w jaki sposób arkusz jest podgrzewany, np. Czy jest podgrzewany, aż osiągnie odpowiednią temperaturę, a następnie może ostygnąć? Jeśli tak, jak długo można schłodzić? Czy jest ogrzewany w sposób ciągły, a następnie kołek go uderza? Jak długo jest podgrzewany? Itd.

— Ben Trettel,

Grubość skóry można prawdopodobnie oszacować na podstawie modelu 1-D wymiany ciepła, jeśli współczynniki przenikania ciepła i przewodność cieplna są znane (lub mierzalne). Jak zauważył Ben Trettel, pomocne byłoby wyjaśnienie tego pytania.

— wwarriner

@starrise: Tak, zamierzałem spróbować tego samego. Zarys mojego zamierzonego podejścia: Oszacuj grubość materiału w oparciu o model 1D wymiany ciepła ( skomplikowany przez zmianę fazy ). Następnie, zakładając, że faza ciekła nie bierze udziału w obliczeniach, oblicz twardość materiału, zakładając, że jest on doskonale plastyczny, i użyj go, aby uzyskać oszacowanie energii wymaganej do jego penetracji. Sugestie są mile widziane. Odpowiedź, którą otrzymacie w ten sposób, z pewnością będzie bardzo przybliżona, ale mam nadzieję, że będzie wystarczająco dokładna.

— Ben Trettel,

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$