Как рассчитать силу, необходимую для прокалывания HDPE?

У меня есть лист HDPE в . Я хочу проткнуть кожу этого листа -высокой булавкой с площадью поверхности . Штифт также изготовлен из HDPE и полностью охлажден. С модулем Юнга HDPE, равным , сколько сил мне нужно приложить, чтобы охлажденный штифт HDPE достиг расплавленного слоя листа HDPE при ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

ОБНОВЛЕНИЕ: мне сказали, что булавка, как предполагается, полностью приваривается к слою HDPE. Исходя из температуры плавления HDPE и начальной температуры штифта, я просто не думаю, что это возможно за 2 минуты до закалки материала. Я пытался выяснить скорость теплопередачи, но не могу найти коэффициент теплопроводности контакта или сопротивление теплового контакта. Поиск в Интернете включил инструмент "CoCoE.exe", но у меня возникли проблемы с запуском программы на моем компьютере.

Более описательное изображение

materials temperature

— Уильям Б.
источник

Начав повторять анализ, я понял, что это довольно сложный процесс, и вместо этого я опишу, что бы я сделал, чтобы решить эту проблему, если бы у меня было больше времени.

Сначала сделаю несколько предположений:

идеально пластичное поведение ПЭВП (т. е. кривая напряжения-деформации плоская после растяжения)
тепловая конвекция с плоской поверхности не имеет значения (хотя она учитывается для штифта)
штифт имеет адиабатический наконечник
металл находится при постоянной температуре
штифт прокалывает поверхность, когда энергия, поглощаемая цилиндрической частью материала непосредственно под ним, превышает ударную вязкость материала, умноженную на объем цилиндрической части материала (при желании я могу объяснить это по-другому).
контактное сопротивление уменьшается при плавлении ПЭВП (не знаю как)
некоторые свойства материала могут быть получены из этого документа, а другие из этого листа данных и этой книги (эти данные могут быть или не быть действительными для имеющегося у вас HDPE)
Я не уверен, какое значение коэффициента конвективного теплообмена для штифта является действительным, и мне пришлось бы больше думать об этом.
тепло плавления исходит из этого паспорта

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

Старый ответ:

Ответ, скорее всего, нулевой силы или почти так, потому что температура плавления HDPE составляет около 266 F ( здесь сообщается немного выше, на 279 F ), поэтому HDPE, вероятно, уже расплавился при указанной температуре. Вы встретите расплавленный слой сразу после прикосновения к поверхности (по крайней мере, если температура достаточно равномерна).

Если температурный диапазон неправильный, я думаю, что могу разработать оценку, исходя из предположения, что ПЭВП является абсолютно пластичным материалом, что ударник плоский, и некоторых других вещей, а затем изменить свой ответ. Дайте мне знать, если вам это нравится.

Кроме того, если вы хотите оценить силу, необходимую для продолжения проникновения в среду, я могу найти старую книгу о баллистических терминалах, которую я прочитал, в которой есть несколько моделей для таких вещей, но я не знаю, насколько они точны.

— Бен Треттель
источник

Материал, который я использую, имеет температуру плавления 260F, но мне сказали, что лист имеет температуру 280-320F, когда штифт контактирует с листом. Материал выдувается, и перед тем, как взорваться, моя часть вставляется. Когда форма закрывается, она плотно закрывает мою часть и лист HDPE, предположительно создавая сварку. Должна быть кожа, которая образуется на листе при охлаждении, прежде чем моя часть коснется его. Я не уверен, насколько толстой будет эта кожа.

— Уильям Б.

Спасибо за ответ. Можете ли вы отредактировать свой вопрос, чтобы иметь какой-нибудь рисунок? У меня проблемы с визуализацией того, что вы описываете, и считаю, что простой рисунок прояснит ситуацию. Кроме того, опишите, как лист нагревается, например, нагревается ли он до тех пор, пока не достигнет нужной температуры, а затем остынет? Если да, то как долго это можно охладить? Нагревается ли он непрерывно, и затем штифт попадает в него? Как долго это нагревается? И т.д.

— Бен Треттель

Толщина обшивки, вероятно, может быть оценена из одномерной модели теплопередачи, если известны коэффициенты теплопередачи и теплопроводность (или измеримые). Как отметил Бен Треттель, некоторые разъяснения по этому вопросу будут полезны.

— воин

@starrise: Да, я собирался попробовать то же самое. Схема моего предполагаемого подхода: Оценить толщину материала на основе одномерной модели теплопередачи ( осложненной изменением фазы ). Затем, предполагая, что жидкая фаза не учитывается при расчете, рассчитайте ударную вязкость материала, предполагая, что он совершенно пластичен, и используйте его, чтобы получить оценку энергии, необходимой для проникновения в него. Предложения приветствуются. Ответ, который вы получите таким образом, безусловно, будет очень приблизительным, но, надеюсь, достаточно точным.

— Бен Треттель

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$