Comment calculer la force requise pour percer le PEHD?

J'ai feuille de HDPE à . Je veux percer la peau de cette feuille avec une épingle de haut avec une surface de . La goupille est également en HDPE et a complètement refroidi. Avec le module de Young de HDPE étant de , combien de force dois-je appliquer pour que la broche HDPE refroidie atteigne la couche fondue de la feuille de HDPE à ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

MISE À JOUR: On m'a dit que la broche est censée être complètement soudée à la couche de HDPE. Sur la base de la température de fusion du HDPE et de la température de départ de la broche, je ne pense pas que ce soit possible dans les 2 minutes avant que le matériau ne soit trempé. J'ai essayé de déterminer le taux de transfert de chaleur, mais je ne trouve pas le coefficient de conductance du contact thermique ou la résistance de contact thermique. La recherche en ligne a révélé un outil "CoCoE.exe" mais avait du mal à exécuter le programme sur mon ordinateur.

Image plus descriptive

materials temperature

— William B.
source

Après avoir commencé à refaire l'analyse, je me suis rendu compte que c'est un processus assez compliqué, et à la place je vais décrire ce que je ferais pour résoudre ce problème si j'avais plus de temps.

Tout d'abord, certaines hypothèses que je ferais:

comportement parfaitement plastique du HDPE (c'est-à-dire que la courbe contrainte-déformation est plate après la déformation)
la convection thermique à partir de la surface plane n'a pas d'importance (bien qu'elle soit prise en compte pour la broche)
la broche a une pointe adiabatique
le métal est à température constante
la broche perce la surface lorsque l'énergie absorbée par une partie cylindrique du matériau directement en dessous dépasse la ténacité du matériau multipliée par le volume de la partie cylindrique du matériau (je peux l'expliquer différemment si vous le souhaitez.)
la résistance de contact diminue à mesure que le HDPE fond (je ne sais pas comment)
certaines propriétés des matériaux peuvent provenir de ce papier et d'autres de cette fiche technique et de ce livre (ces données peuvent ou non être valables pour le PEHD que vous avez)
Je ne suis pas sûr de la valeur du coefficient de transfert de chaleur par convection pour la broche et je devrais y réfléchir davantage.
la chaleur de fusion vient de cette fiche technique

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

Ancienne réponse:

La réponse est probablement une force nulle ou presque, car la température de fusion du HDPE est d'environ 266 F ( elle est rapportée ici un peu plus élevée à 279 F ), donc le HDPE a probablement déjà fondu à la température spécifiée. Vous rencontrerez la couche fondue immédiatement en touchant la surface (au moins si la température est suffisamment uniforme).

Si la plage de température est incorrecte, je pense que je peux développer une estimation en supposant que le HDPE est une matière parfaitement plastique, que l'impacter est plat et d'autres choses, puis changer ma réponse. Faites-moi savoir si vous le souhaitez.

De plus, si vous voulez une estimation de la force requise pour continuer à pénétrer le milieu, je peux trouver un vieux livre balistique terminal que j'ai lu qui a quelques modèles pour de telles choses, mais je ne sais pas à quel point ils sont précis.

— Ben Trettel
source

Le matériau que j'utilise a un point de fusion de 260F, mais on m'a dit que la feuille est à 280-320F lorsque la broche entre en contact avec la feuille. Le matériau est en cours de moulage par soufflage et avant d'être ouvert, ma pièce est insérée. Lorsque le moule se ferme, il se ferme sur ma pièce et la feuille HDPE, créant soi-disant une soudure. Il devrait y avoir une peau qui se forme sur la feuille en refroidissant, avant que ma partie ne la touche. Je ne suis pas sûr de l'épaisseur de cette peau.

— William B.

Merci pour la réponse. Pouvez-vous modifier votre question pour avoir un dessin quelconque? J'ai du mal à visualiser ce que vous décrivez et je crois qu'un simple dessin clarifierait les choses. Décrivez également comment la feuille est chauffée, par exemple, est-elle chauffée jusqu'à ce qu'elle atteigne la bonne température et ensuite laissée refroidir? Si oui, combien de temps est-il autorisé à refroidir? Est-il chauffé en continu puis la goupille le frappe? Combien de temps est-il chauffé? Etc.

— Ben Trettel

L'épaisseur de la peau pourrait probablement être estimée à partir d'un modèle de transfert de chaleur 1-D si les coefficients de transfert de chaleur et la conductivité thermique sont connus (ou mesurables). Comme l'a noté Ben Trettel, une clarification de la question serait utile.

— wwarriner

@starrise: Oui, j'allais essayer la même chose. Aperçu de mon approche envisagée: Estimer l'épaisseur du matériau sur la base d'un modèle de transfert de chaleur 1D ( compliqué par le changement de phase ). Ensuite, en supposant que la phase liquide ne prend pas en compte le calcul, calculez la ténacité du matériau en supposant qu'il est parfaitement plastique et utilisez-le pour obtenir une estimation de l'énergie nécessaire pour la pénétrer. Les suggestions sont les bienvenues. La réponse que vous obtiendrez de cette façon sera sûrement très approximative, mais nous l'espérons assez précise.

— Ben Trettel

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$