如何计算刺穿HDPE所需的力？

我在处有张HDPE。我想用一个 -高的针刺该表皮，表面积为。销钉也由HDPE制成，并已完全冷却。在HDPE的杨氏模量为，我需要施加多大的力才能使冷却的HDPE销以到达HDPE片材的熔融层？ $2\text{ mm}$ $280-320^{\circ}\text{ F}$ $2\text{ mm}$ $3.33\text{ mm}^2$ $0.8\text{ GPa}$ $280-320\text{ F}$

更新：有人告诉我，该引脚应该完全焊接到HDPE层上。基于HDPE的熔化温度和销钉的起始温度，我只是认为在材料淬火之前的2分钟内不可能实现。我试图计算出热传导率，但找不到热接触传导系数或热接触电阻。在线搜索打开了一个工具“ CoCoE.exe”，但是在我的计算机上运行该程序时遇到了麻烦。

更具描述性的图像

materials temperature

— 威廉·B。
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在开始重做分析之后，我开始意识到这是一个相当复杂的过程，相反，我将概述如果我有更多的时间来解决这个问题。

首先，我会做一些假设：

HDPE的完美塑性行为（即屈服后应力-应变曲线平坦）
平面上的热对流无关紧要（尽管考虑了引脚）
别针有一个绝热的尖端
金属温度恒定
当材料的圆柱部分正下方的销钉吸收的能量超过材料的韧性乘以材料的圆柱部分的体积时，销钉会刺穿表面（如果需要，我可以用不同的方式解释）。
HDPE熔化时，接触电阻会降低（不确定如何）
一些材料特性可以从本文获得，而某些材料特性可以从本数据表以及本书获得（此数据可能对您拥有的HDPE有效或无效）
我不确定引脚的对流传热系数的值是正确的，是否需要对此进行更多考虑。
熔化热来自此数据表

有了所有这些信息，您可以为Stefan问题编写一维传热求解器，以计算固体表层的温度和厚度。从那里，您可以使用皮肤的温度找到屈服应力。我的简单模型建议。 $F = \sigma_\text{y} A_\text{contact}$

旧答案：

答案可能是零力或接近零力，因为HDPE的熔融温度约为266 F（据报道此处为279 F稍高），因此HDPE可能已经在指定的温度下熔融了。接触表面后，您将立即遇到熔融层（至少在温度足够均匀的情况下）。

如果温度范围错误，我想我可以假设HDPE是一种完美的塑料材料，并且冲击器是扁平的，还有其他一些东西，那么我可以做出一个估计，然后改变我的答案。让我知道您是否愿意。

另外，如果您想估算继续穿透介质所需的力，我可以找到一本阅读的旧式终端弹道书，其中包含针对此类情况的一些模型，但我不知道它们的准确性。

— 本·特特尔
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我使用的材料的熔点为260°F，但是当针与板材接触时，我被告知板材的温度为280-320F。该材料正在吹塑成型，在吹塑打开之前，先插入我的零件。当模具合上时，它会夹住我的零件和HDPE板，据推测会造成焊接。在我的身体接触到它之前，冷却时在其上应该形成一层皮肤。我不确定那皮肤有多厚。

— 威廉·B。

谢谢回复。您可以编辑问题以得到某种形式的图纸吗？我在可视化您所描述的内容时遇到了麻烦，并且认为简单的图纸可以使您澄清。另外，请描述纸张的加热方式，例如，纸张是否加热到合适的温度然后冷却？如果是这样，允许冷却多长时间？它是否连续加热然后被针击中？加热多长时间？等等

— Ben Trettel

如果热传递系数和热导率已知（或可测量），则可以根据一维热传递模型估算皮肤厚度。正如本·特特尔（Ben Trettel）指出的那样，对此问题进行一些澄清将有所帮助。

— wwarriner

@starrise：是的，我打算尝试同样的事情。我的预期方法概述：根据一维热传递模型估算材料的厚度（复杂的相变）。然后，假设液相不参与计算，则假设材料是完全可塑性的，计算材料的韧性，然后使用该材料来估算穿透它所需的能量。欢迎提出建议。您肯定会以这种方式得到的答案非常近似，但希望足够准确。

— 2015年

昨晚我意识到需要力量而不是能量。我认为能量更重要，但是在我打算使用的模型中（完全塑性，假设仅压缩材料的圆柱形切口），力将为其中是屈服应力，是接触面积。这里有很多假设和近似值（并非所有假设和近似值都适用于注释），但是在这种近似值下，主要问题是找到屈服应力，这对于固体膜的温度可能是未知的。

F = σ_{y} A

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

σ_{y}

$\sigma_\text{y}$

A

$A$

— 2015年