Bagaimana cara menghitung gaya yang diperlukan untuk menembus HDPE?

Saya memiliki lembar HDPE di . Saya ingin menembus kulit lembar ini dengan pin -tinggi dengan area permukaan . Pin ini juga terbuat dari HDPE dan telah sepenuhnya dingin. Dengan modulus Young dari HDPE menjadi , berapa banyak kekuatan yang perlu saya terapkan agar pin HDPE yang didinginkan mencapai lapisan cair lembar HDPE pada ? $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

PEMBARUAN: Saya telah diberi tahu bahwa pin seharusnya sepenuhnya dilas ke lapisan HDPE. Berdasarkan suhu leleh HDPE dan suhu awal pin, saya hanya berpikir itu tidak mungkin dalam 2 menit sebelum materialnya padam. Saya telah berusaha untuk mengetahui laju perpindahan panas, tetapi tidak dapat menemukan koefisien konduktansi kontak termal, atau resistansi kontak termal. Pencarian online menghasilkan alat "CoCoE.exe" tetapi mengalami kesulitan menjalankan program di komputer saya.

Gambar Lebih Deskriptif

materials temperature

— William B.
sumber

Setelah mulai mengulang analisis, saya menyadari ini adalah proses yang cukup rumit, dan sebagai gantinya saya akan menguraikan apa yang akan saya lakukan untuk menyelesaikan ini jika saya punya lebih banyak waktu.

Pertama, beberapa asumsi yang akan saya buat:

perilaku plastik sempurna dari HDPE (yaitu, kurva tegangan-regangan rata setelah menghasilkan)
konveksi termal dari permukaan rata tidak relevan (meskipun diperhitungkan untuk pin)
pin memiliki ujung adiabatik
logam berada pada suhu konstan
pin menembus permukaan ketika energi diserap oleh bagian silindris dari material yang langsung di bawahnya melebihi ketangguhan material dikalikan volume bagian silinder dari material (saya bisa menjelaskan ini secara berbeda jika diinginkan.)
resistensi kontak berkurang ketika HDPE meleleh (tidak yakin bagaimana)
beberapa sifat material dapat berasal dari makalah ini dan lainnya dari lembar data ini , dan buku ini (data ini mungkin atau mungkin tidak berlaku untuk HDPE yang Anda miliki)
Saya tidak yakin apa nilai koefisien perpindahan panas konvektif untuk pin yang valid dan harus memikirkan lebih lanjut tentang ini.
panas fusi berasal dari lembar data ini

Mengingat semua informasi ini, Anda dapat menulis pemecah transfer panas 1D untuk masalah Stefan untuk menghitung suhu dan ketebalan kulit padat. Dari sana, Anda dapat menggunakan suhu kulit untuk menemukan tegangan luluh. Model sederhana saya menunjukkan bahwa . $F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

Jawaban lama:

Jawabannya kemungkinan nol kekuatan atau hampir sama, karena suhu leleh HDPE adalah sekitar 266 F ( dilaporkan sedikit lebih tinggi di sini pada 279 F ), jadi HDPE mungkin sudah meleleh pada suhu yang ditentukan. Anda akan bertemu dengan lapisan cair segera setelah menyentuh permukaan (setidaknya jika suhunya cukup seragam).

Jika kisaran suhu salah, saya pikir saya dapat mengembangkan perkiraan dengan asumsi bahwa HDPE adalah bahan plastik yang sempurna, bahwa pengotornya rata, dan beberapa hal lainnya, lalu ubah jawaban saya. Beri tahu saya jika Anda suka ini.

Juga, jika Anda menginginkan perkiraan kekuatan yang diperlukan untuk terus menembus media, saya dapat menemukan buku balistik terminal lama yang saya baca yang memiliki beberapa model untuk hal-hal seperti itu, tetapi saya tidak tahu seberapa akuratnya.

— Ben Trettel
sumber

Materi yang saya gunakan memiliki titik leleh 260F, tetapi saya telah diberitahu bahwa lembar kertas berada pada 280-320F ketika pin membuat kontak dengan lembaran tersebut. Materi sedang dicetak, dan sebelum ditiup terbuka, bagian saya dimasukkan. Ketika cetakan menutupnya klem ditutup pada bagian saya dan lembar HDPE, seharusnya membuat lasan. Seharusnya ada kulit yang terbentuk pada lembaran saat dingin, sebelum bagian saya menyentuhnya. Saya tidak yakin seberapa tebal kulit itu.

— William B.

Terima kasih balasannya. Bisakah Anda mengedit pertanyaan Anda untuk memiliki semacam gambar? Saya mengalami kesulitan memvisualisasikan apa yang Anda gambarkan dan percaya gambar sederhana akan memperjelas hal-hal. Juga, jelaskan bagaimana lembaran itu dipanaskan, misalnya, apakah dipanaskan sampai mencapai suhu yang tepat dan kemudian dibiarkan dingin? Jika demikian, berapa lama dibiarkan dingin? Apakah dipanaskan terus-menerus dan kemudian pin mengenai itu? Berapa lama dipanaskan? Dll

— Ben Trettel

Ketebalan kulit mungkin dapat diperkirakan dari model perpindahan panas 1-D jika koefisien perpindahan panas dan konduktivitas termal diketahui (atau dapat diukur). Seperti yang dicatat oleh Ben Trettel, beberapa klarifikasi pertanyaan akan sangat membantu.

— wwarriner

@starrise: Ya, saya akan mencoba hal yang sama. Garis besar pendekatan yang saya maksudkan: Perkirakan ketebalan material berdasarkan model perpindahan panas 1D ( diperumit oleh perubahan fasa ). Kemudian, dengan asumsi fase cair tidak menjadi faktor dalam perhitungan, hitung ketangguhan material dengan menganggapnya benar-benar plastik, dan gunakan itu untuk mendapatkan perkiraan energi yang dibutuhkan untuk menembusnya. Saran diterima. Jawaban yang Anda dapatkan dengan cara ini tentu akan sangat perkiraan, tetapi semoga cukup akurat.

— Ben Trettel

Saya menyadari tadi malam bahwa gaya , bukan energi yang diminta. Saya pikir energinya lebih relevan, tetapi dalam model yang saya maksudkan untuk digunakan (plastik sempurna, dengan asumsi hanya potongan silinder dari bahan yang dikompresi) gaya akan menjadi mana adalah tegangan luluh dan adalah bidang kontak. Ada sejumlah besar asumsi dan perkiraan di sini (tidak semuanya sesuai dengan komentar), tetapi di bawah perkiraan ini masalah utamanya adalah menemukan tegangan luluh, yang mungkin tidak diketahui untuk suhu film padat.

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$

— Ben Trettel