Wie berechne ich die Kraft, die zum Durchstechen von HDPE erforderlich ist?

Ich habe ein Blatt HDPE bei . Ich möchte die Haut dieses Blattes mit einem -hohen Stift mit einer Oberfläche von durchstechen . Der Stift besteht ebenfalls aus HDPE und ist vollständig abgekühlt. Wie viel Kraft muss ich bei einem Young-HDPE-Modul von aufbringen, damit der abgekühlte HDPE-Stift die geschmolzene Schicht des HDPE-Blattes bei ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

UPDATE: Mir wurde gesagt, dass der Stift vollständig mit der HDPE-Schicht verschweißt sein soll. Aufgrund der Schmelztemperatur des HDPE und der Starttemperatur des Stifts halte ich es in den 2 Minuten vor dem Abschrecken des Materials einfach nicht für möglich. Ich habe versucht, die Wärmeübertragungsrate herauszufinden, kann jedoch den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten oder den Wärmekontaktwiderstand nicht ermitteln. Bei der Online-Suche wurde ein Tool "CoCoE.exe" angezeigt, das Programm auf meinem Computer konnte jedoch nicht ausgeführt werden.

Beschreibenderes Bild

materials temperature

— William B.
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Nachdem ich angefangen habe, die Analyse zu wiederholen, habe ich festgestellt, dass dies ein ziemlich komplizierter Prozess ist, und stattdessen werde ich skizzieren, was ich tun würde, um dies zu lösen, wenn ich mehr Zeit hätte.

Zunächst einige Annahmen, die ich treffen würde:

perfekt plastisches Verhalten des HDPE (dh die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist nach dem Nachgeben flach)
Die thermische Konvektion von der ebenen Fläche ist irrelevant (obwohl sie für den Stift berücksichtigt wird).
Der Stift hat eine adiabatische Spitze
Das Metall hat eine konstante Temperatur
Der Stift durchbohrt die Oberfläche, wenn die Energie, die von einem zylindrischen Teil des Materials direkt darunter absorbiert wird, die Zähigkeit des Materials multipliziert mit dem Volumen des zylindrischen Teils des Materials überschreitet (ich kann dies auf Wunsch anders erklären.)
Der Kontaktwiderstand nimmt mit dem Schmelzen des HDPE ab (nicht sicher, wie)
Einige Materialeigenschaften können aus diesem Papier und andere aus diesem Datenblatt und diesem Buch stammen (diese Daten können für das von Ihnen verwendete HDPE gültig sein oder nicht).
Ich bin mir nicht sicher, welcher Wert des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten für den Stift gültig ist, und müsste mehr darüber nachdenken.
Die Schmelzwärme stammt aus diesem Datenblatt

Mit all diesen Informationen können Sie einen 1D-Wärmeübertragungslöser für das Stefan-Problem schreiben , um die Temperatur und Dicke der festen Haut zu berechnen. Von dort aus können Sie die Temperatur der Haut verwenden, um die Fließspannung zu ermitteln. Mein einfaches Modell schlägt vor, dass . $F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

Alte Antwort:

Die Antwort ist wahrscheinlich null Kraft oder nahezu Null, da die Schmelztemperatur von HDPE etwa 266 F beträgt ( hier wird bei 279 F etwas höher berichtet ), sodass das HDPE wahrscheinlich bereits bei der angegebenen Temperatur geschmolzen ist. Sie treffen die geschmolzene Schicht sofort beim Berühren der Oberfläche (zumindest wenn die Temperatur gleichmäßig genug ist).

Wenn der Temperaturbereich falsch ist, kann ich eine Schätzung erstellen, bei der angenommen wird, dass HDPE ein perfekt plastisches Material ist, der Impaktor flach ist und einige andere Dinge, und dann meine Antwort ändern. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie das möchten.

Wenn Sie eine Schätzung der Kraft wünschen, die erforderlich ist, um das Medium weiter zu durchdringen, kann ich ein altes Terminal-Ballistikbuch finden, das einige Modelle für solche Dinge enthält, aber ich weiß nicht, wie genau sie sind.

— Ben Trettel
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Das Material, das ich verwende, hat einen Schmelzpunkt von 260F, aber mir wurde gesagt, dass das Blatt bei 280-320F liegt, wenn der Stift Kontakt mit dem Blatt hat. Das Material wird geblasen und vor dem Aufblasen wird mein Teil eingesetzt. Wenn sich die Form schließt, klemmt sie mein Teil und das HDPE-Blech zu und erzeugt angeblich eine Schweißnaht. Es sollte sich eine Haut auf dem Blatt bilden, wenn es abkühlt, bevor mein Teil es berührt. Ich bin mir nicht sicher, wie dick diese Haut sein würde.

— William B.

Danke für die Antwort. Können Sie Ihre Frage bearbeiten, um eine Zeichnung zu erhalten? Ich habe Probleme, mir vorzustellen, was Sie beschreiben, und glaube, eine einfache Zeichnung würde die Dinge klarstellen. Beschreiben Sie auch, wie das Blatt erhitzt wird, z. B. wird es erhitzt, bis es die richtige Temperatur erreicht und dann abkühlen gelassen wird? Wenn ja, wie lange darf es abkühlen? Wird es kontinuierlich erhitzt und dann trifft der Stift darauf? Wie lange wird es erhitzt? Etc.

— Ben Trettel

Die Hautdicke könnte wahrscheinlich aus einem 1-D-Wärmeübertragungsmodell geschätzt werden, wenn die Wärmeübertragungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit bekannt (oder messbar) sind. Wie Ben Trettel bemerkte, wäre eine Klärung der Frage hilfreich.

— wwarriner

@starrise: Ja, ich wollte das Gleiche versuchen. Umriss meines beabsichtigten Ansatzes: Schätzen Sie die Materialdicke basierend auf dem 1D-Wärmeübertragungsmodell ( kompliziert durch den Phasenwechsel ). Unter der Annahme, dass die flüssige Phase keinen Einfluss auf die Berechnung hat, berechnen Sie die Zähigkeit des Materials unter der Annahme, dass es perfekt plastisch ist, und verwenden Sie diese, um eine Schätzung der Energie zu erhalten, die zum Eindringen erforderlich ist. Vorschläge sind willkommen. Die Antwort, die Sie auf diese Weise erhalten, ist sicherlich sehr ungefähr, aber hoffentlich genau genug.

— Ben Trettel

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$