00 - 术语表

术语表

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使用范围

本表解释当前项目文件中反复使用的术语。材料牌号、仪器规格和判定界限以对应正式文件为准。

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一、研究主线

拓扑—刚度—传力—电输出

本项目检验以下关系：

$$\text{点阵拓扑}⟶\text{压缩刚度}⟶\text{实际传递力}⟶\text{PZT每循环电能}$$

在线性小变形和相同位移范围内，装置传递力可近似写为：

$$F_{amp}\approx k_{eff}{\delta }_{amp}$$

其中$k_{eff}$是当前装置边界下的等效刚度。正式分析使用同步实测的$F_{amp}$，不根据名义位移和静态刚度直接推算。

在PZT和电学边界相同的理想线性模型中，待检验关系为：

$$E_{elec}\propto F_{amp}^2$$

该式是研究假设，不是预先确定的实验结论。

位移控制

试验机按设定的位移波形压缩装置，同时测量实际力。不同点阵的刚度不同，因此在相同位移范围内可能产生不同的传递力。

串联装置

点阵、均压板和PZT沿加载方向依次布置。理想静力条件下，各部件承受相同的轴向总力；在位移控制下，总力由整个串联系统的等效刚度决定。当前夹盒采用上下氧化铝均压板，均压板同时承担电气隔离。

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二、点阵结构与打印材料

点阵结构

由规则重复的杆件、节点或薄壁单元组成的多孔结构。拓扑表示这些承载单元的连接方式，不等同于材料种类。

六种点阵构型

六种构型来自导师论文。

代码	英文名称	结构特征
SS	Simple Square	正交方格杆系
BCC	Body-Centered Cubic	立方体顶点与体心连接
FCC	Face-Centered Cubic	立方体顶点与面心连接
CB	Combined BCC-FCC	BCC与FCC连接方式组合
DC	Diamond-Cubic	钻石立方连接
TC	Tetrahedron-Cubic	四面体连接与立方框架组合

导师论文Table 7给出的压缩弹性模量排序为：

$$\mathrm{SS}<\mathrm{BCC}<\mathrm{FCC}<\mathrm{CB}<\mathrm{DC}<\mathrm{TC}$$

本地打印样品是否保持该排序，需要通过低应变压缩实验验证。

FDM

Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型。热塑性丝材熔融后逐层沉积。打印方向、层间结合、路径和支撑去除都会影响点阵的实际力学性能。

ABS Plus与本地ABS

ABS Plus是导师论文使用的材料。项目优先复现该材料；若正式样品使用其他ABS，应记录厂家、牌号、批次和打印条件，并将研究表述为基于导师几何的本地ABS拓扑复现。

结构刚度

刚度描述结构的力–位移关系，单位为N/mm。在本项目0.02–0.08 mm固定区间内拟合：

$$\Delta F=k\delta +b$$

$k$为等效压缩刚度。刚度取决于结构几何、材料、加载方向、接触和拟合区间，不是单纯的材料常数。

压缩弹性模量

应力–应变曲线弹性区间的斜率，单位为MPa或GPa。导师论文Table 7报告的是点阵的表观压缩弹性模量；本项目实验直接得到的是结构刚度。两者单位和定义不同，但在外形与加载口径一致时可以比较排序。

弯曲刚度

三点弯曲等工况下的力–位移斜率。导师论文同时报告了弯曲结果，但本项目当前主线采用压缩刚度，不用弯曲刚度代替压缩基线。

比能量吸收

Specific Energy Absorption，通常表示结构压溃过程中单位质量吸收的机械能，单位为J/g。该指标属于导师论文的压溃研究背景，不是本项目低应变正式指标。

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三、PZT与压电参数

压电效应

压电材料受力后产生电荷称为正压电效应；施加电场后产生变形称为逆压电效应。本项目使用正压电效应。

PZT输出还受受力波形、器件电容、漏电、电极、测量阻抗和负载影响，不能只根据力的峰值判断电能。

PZT

Lead Zirconate Titanate，锆钛酸铅压电陶瓷。正式六构型比较只能使用同一供应商、同一牌号和同一生产批次的PZT。

当前三个渠道的候选为：

渠道	候选牌号	当前状态
供应商1	PZT-4	候选
供应商2	P-82	优先候选，供货待确认
供应商3	PbaS-4	候选

目标器件为Ø25×0.8 mm、厚度方向极化、双面银电极、无金属基板圆片。最终牌号和规格以采购确认及到货验收为准，详见PZT换能器选型。

$d_{33}$

厚度方向的压电电荷系数，常用单位为pC/N。理想线性条件下：

$$Q=d_{33}F$$

$d_{33}$较大表示相同轴向力产生的电荷较多，但不自动表示电压或负载电能更高；还需考虑$C_p$、$g_{33}$、损耗和电路条件。

$g_{33}$

厚度方向的压电电压系数，常用单位为V·m/N或mV·m/N。它用于估算给定应力和厚度下的开路电压。供应商单位和测试条件必须核对后才能用于定量计算。供应商2原表的$g_{31}$和$g_{33}$单位目前存在疑问，确认前不用于P-82的电压估算或跨供应商排序。

$C_p$

PZT在规定频率、温度和电学条件下测得的电容。电容随器件面积、厚度、材料和测量频率变化。项目记录$C_p@1\mathrm{kHz}$，并注明仪器和测试条件。

介质损耗

通常用$\tan \delta$表示，描述交流电场下的介电损耗。供应商数据用于候选比较；正式器件以同批到货测量为准。

机械品质因数

通常写作$Q_m$，反映材料机械损耗特征。$Q_m$不能单独证明器件在本项目1 Hz压缩条件下的循环稳定性。

开路电压

PZT端口接近无外部电流时的电压，记为$V_{oc}$。测量前端阻抗有限，因此实验中的“开路”必须同时报告输入阻抗。开路电压用于量程和波形描述，不是本项目主要电能指标。

压电耦合系数

材料数据表常用$k_{33}$、$k_{31}$或$k_p$表示不同方向的机电耦合系数。它们是材料或器件参数，不等同于本项目定义的力归一化指标$K_e$。

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四、负载与电能

测量前端输入阻抗

电压测量设备会对PZT形成并联负载。正式测量要求输入阻抗$R_{in}$已知，并纳入有效负载计算。普通1 MΩ示波器不能直接用于当前高阻负载测试。

有效负载

外接负载$R_{load}$与测量前端输入阻抗$R_{in}$并联：

$$R_{eff}=R_{load}\parallel R_{in}$$

正式电能和功率使用实测$R_{load}$及已确认的$R_{in}$计算。

理论中心负载

在PZT等效为电流源与电容并联的简化模型中，1 Hz测试的理论中心负载为：

$$R^{\ast }=\frac{1}{2\pi f\cdot \mathrm{median}(C_p)}$$

$R^{\ast }$用于确定公共负载和扫描范围，不等同于已经实测的最优负载。

公共负载

六构型正式比较共同使用的负载。它根据5片正式PZT的电容中位数确定，并在分析中使用实际$R_{eff}$。不得为不同构型分别选择使其输出最大的负载后再进行主比较。

负载响应曲线

固定机械条件下，绘制$E_{elec}$或$P_{avg}$随$R_{eff}$变化的曲线。项目在D10条件下扫描$0.25R^{\ast }$、$0.5R^{\ast }$、$R^{\ast }$、$2R^{\ast }$和$4R^{\ast }$。

“实测最优负载”仅表示五个有效测量点中输出最大的$R_{eff}$。若最大值位于扫描边界，不外推未测量范围。

每循环电能

一个完整周期内，外接负载和测量前端消耗的总电能为：

$$E_{elec}=E_{load}+E_{in}={\int }_{t_1}^{t_2}\frac{V(t{)}^2}{R_{eff}}dt$$

$E_{elec}$是本项目主要电学输出。$E_{load}$和$E_{in}$分别记录外接负载及测量前端对应的电能。

平均功率

周期时长为$T$时：

$$P_{avg}=\frac{E_{elec}}{T}=f{E}_{elec}$$

峰值电压不能直接代入$V_{peak}^2/R$作为平均功率。

全桥整流与储能电容

全桥整流将PZT的双向电压转换为单向输出，储能电容用于累积电能。二极管压降、漏电和充电状态会改变测得能量，因此当前核心实验直接使用未整流电阻负载；整流储能属于后续器件研究。

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五、实验与数据指标

20 N预载

先将装置压至20 N，使接触稳定，再把该位置作为相对位移零点。预载不是D05或D10的力幅值。

D05与D10

两种动态位移条件：

条件	相对预载位置的名义位移范围	频率
D05	0–0.05 mm	1 Hz
D10	0–0.10 mm	1 Hz

正式处理使用同步测得的实际位移范围，不用名义值替代。

力幅值与位移幅值

每个周期计算：

$$F_{amp}=\frac{F_{max}-F_{min}}{2}$$ $${\delta }_{amp}=\frac{{\delta }_{max}-{\delta }_{min}}{2}$$

正向加载机械功

一个周期中从最小位移加载到最大位移的机械功：

$$W_{+}={\int }_{loading}Fd\delta$$

位移测量位置会影响$W_{+}$，必须随数据记录。

力归一化电能$K_e$

$$K_e=\frac{E_{elec}}{F_{amp}^2}$$

$K_e$用于检查总传递力能否解释电能差异，不是PZT材料常数，也不是机电耦合系数。

表观转换比${\eta }_{app}$

$${\eta }_{app}=\frac{E_{elec}}{W_{+}}$$

它表示当前装置、测量位置和电学边界下的比值，不等同于PZT材料的本征转换效率。

单位质量功率

按$P_{avg}/m$计算的补充指标。实际质量记录用于敏感性分析，但单位质量功率不作为六构型的主要判定结果。

PZT区组

5片正式PZT分别构成B1–B5区组。每个区组测试六种构型各1件，以区分PZT个体差异和点阵构型差异。

变异系数

Coefficient of Variation，记为CV：

$$\mathrm{CV}=\frac{\mathrm{SD}}{\mathrm{mean}}\times 100\%$$

项目用周期CV检查$F_{amp}$和$E_{elec}$的重复性。

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六、仿真术语

COMSOL Multiphysics

多物理场有限元软件。第一阶段只使用固体力学建立六构型低应变压缩模型，输出总反力、等效刚度、主应力、局部应变和结构应变能。

有限元分析

Finite Element Analysis，FEA。将连续结构离散为有限数量的单元并求解。网格加密不保证结果自动正确，必须进行网格收敛和边界条件检查。

边界条件

定义模型中的约束、接触和加载方式。当前参考模型采用刚性上下压板、下板固定、上板轴向位移，并以总反力达到20 N的位置作为位移参考点。

总反力

从整个压板边界提取的轴向反力。不能用单个节点反力代替装置总传递力。上、下压板反力同时用于平衡检查。

网格收敛

比较连续加密网格下的刚度、反力和应变能变化。粗—中和中—细两段都要检查；若变化非单调，应继续加密或检查接触和求解设置。只有主要输出满足预先冻结的变化界限，才采用相应网格作为正式结果。

应力云图

显示结构内部应力场的图件。模型同时记录最大主应力、最小主应力和von Mises应力。局部极值可能受尖角、杆件连接和接触边缘影响，必须同时记录位置和网格敏感性。第一阶段不根据应力云图直接推断PZT电输出。

局部主应变

结构中某一点的最大和最小主应变。整体位移只有0.10 mm，并不能保证每根细杆和节点都处于线弹性范围，因此需把局部主应变与所用材料的线弹性范围比较。缺少可靠材料范围时，线弹性适用性标为待确认。

压电耦合

同时求解结构力学和电场的模型。现有供应商标量参数不足以建立可靠的三维压电耦合模型。只有力归一化后仍存在稳定构型差异，并取得正式PZT完整参数时，才考虑第二阶段耦合仿真。

静力、准静态与动态

• 静力模型不包含惯性和加载频率；
• 准静态表示惯性影响可以忽略，但材料仍可能存在速率效应；
• 动态测试需要考虑频率、惯性或材料时间效应。

第一阶段COMSOL模型为静力模型。将其与1 Hz的D05/D10结果比较前，需要检查装置柔度、位移测量位置和速率影响。