Como computo a força necessária para perfurar o HDPE?

I têm um folha de HDPE a . Quero perfurar a pele desta folha com um pino de e uma área de superfície de . O pino também é feito de HDPE e esfriou completamente. Com o módulo de Young de HDPE sendo de , quanta força eu preciso aplicar para que o pino de HDPE resfriado atinja a camada fundida da folha de HDPE a ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

ATUALIZAÇÃO: Disseram-me que o pino deve ser completamente soldado à camada de HDPE. Com base na temperatura de fusão do HDPE e na temperatura inicial do pino, acho que não é possível nos 2 minutos antes do material ser extinto. Tentei descobrir a taxa de transferência de calor, mas não consigo encontrar o coeficiente de condutância do contato térmico ou a resistência do contato térmico. A pesquisa on-line exibiu uma ferramenta "CoCoE.exe", mas estava tendo problemas para executar o programa no meu computador.

Imagem Mais Descritiva

materials temperature

— William B.
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Depois de começar a refazer a análise, percebi que esse é um processo bastante complicado e, em vez disso, descreverei o que faria para resolver isso se tivesse mais tempo.

Primeiro, algumas suposições que eu faria:

comportamento perfeitamente plástico do HDPE (ou seja, a curva tensão-deformação é plana após o escoamento)
a convecção térmica da superfície plana é irrelevante (embora isso seja levado em consideração no pino)
o pino tem uma ponta adiabática
o metal está a uma temperatura constante
o pino perfura a superfície quando a energia absorvida por uma porção cilíndrica do material diretamente abaixo dela excede a tenacidade do material multiplicada pelo volume da porção cilíndrica do material (posso explicar isso de maneira diferente, se desejado).
a resistência do contato diminui à medida que o HDPE derrete (não sabe como)
algumas propriedades do material podem vir deste documento e outras desta folha de dados e deste livro (esses dados podem ou não ser válidos para o HDPE que você possui)
Não tenho certeza de qual valor do coeficiente de transferência de calor por convecção para o pino é válido e teria que pensar mais sobre isso.
calor de fusão vem desta folha de dados

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

Resposta antiga:

A resposta provavelmente é força zero ou quase isso, porque a temperatura de fusão do HDPE é de cerca de 266 F ( é relatado um pouco mais aqui a 279 F ), então o HDPE provavelmente já derreteu na temperatura especificada. Você encontrará a camada derretida imediatamente ao tocar a superfície (pelo menos se a temperatura for suficientemente uniforme).

Se a faixa de temperatura estiver errada, acho que posso desenvolver uma estimativa assumindo que o HDPE é um material perfeitamente plástico, que o impaciente é plano e algumas outras coisas e depois mudo minha resposta. Deixe-me saber se você gostaria disso.

Além disso, se você quiser uma estimativa da força necessária para continuar penetrando no meio, posso encontrar um antigo livro de balística terminal que li que tem alguns modelos para essas coisas, mas não sei se são precisos.

— Ben Trettel
fonte

O material que estou usando tem um ponto de fusão de 260F, mas me disseram que a folha está em 280-320F quando o pino faz contato com a folha. O material está sendo moldado por sopro e, antes de ser aberto, minha peça é inserida. Quando o molde se fecha, ele se fecha da minha parte e da folha de HDPE, supostamente criando uma solda. Deve haver uma pele que se forma na folha enquanto esfria, antes que minha parte a toque. Não tenho certeza de quão grossa seria a pele.

— William B.

Obrigado pela resposta. Você pode editar sua pergunta para ter um desenho de algum tipo? Estou tendo problemas para visualizar o que você está descrevendo e acredito que um desenho simples esclareceria as coisas. Além disso, descreva como a folha é aquecida, por exemplo, é aquecida até atingir a temperatura certa e depois esfriar? Em caso afirmativo, quanto tempo é permitido esfriar? É aquecido continuamente e então o pino bate nele? Por quanto tempo é aquecido? Etc.

— Ben Trettel

Provavelmente, a espessura da pele pode ser estimada a partir de um modelo de transferência de calor 1-D se os coeficientes de transferência de calor e a condutividade térmica forem conhecidos (ou mensuráveis). Como Ben Trettel observou, alguns esclarecimentos da questão seriam úteis.

— Wwarriner

@ estrela: Sim, eu estava indo para tentar a mesma coisa. Resumo da minha abordagem pretendida: Estime a espessura do material com base no modelo de transferência de calor 1D ( complicado pela mudança de fase ). Então, supondo que a fase líquida não considere o cálculo, calcule a tenacidade do material, assumindo que ele seja perfeitamente plástico, e use-o para obter uma estimativa da energia necessária para penetrá-lo. Sugestões são bem vindas. A resposta que você obterá dessa maneira certamente será muito aproximada, mas espero que seja suficientemente precisa.

— Ben Trettel

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$