CAD设计记录
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独立支线（2026-09-21）
支线-上下层点阵构型与层数仿真单独记录六构型×三种胞元层数及上下配置，允许先行压电耦合筛选。本文件下文仍为主线规则，不限制该支线；支线几何和求解结果按独立版本记录。
支线几何进度：用户报告3×3×1、3×3×2、3×3×3模型已建立；文件待上传核对。下文“未建立”指旧主线登记状态，不代表否定用户的本地建模进度。
主线登记状态
本文件记录设计输入、待建模型和核对规则。
一、CAD任务范围
CAD工作分为两个相互独立的部分：
- 复现导师论文的六种22.2 mm点阵压缩方块；
- 设计可重复装夹PZT和上下氧化铝均压板的夹盒。
点阵样品不与PZT、顶板或底座做成一体。正式测试期间只更换点阵样品，不为六种构型分别制作六套固定装置。
不建立实心对照模型。
二、设计输入
| 输入项 | 当前内容 | 状态 | 来源或确认方式 |
|---|---|---|---|
| 点阵构型 | SS、BCC、FCC、CB、DC和TC | 已确定 | 导师论文Table 1 |
| 单胞尺寸 | mm | 已确定 | 导师论文Table 1 |
| 单胞数量 | 每轴3个，即3×3×3 | 已确定 | 22.2 mm外形与7.4 mm单胞尺寸 |
| 样品外形 | 22.2×22.2×22.2 mm | 已确定 | 导师论文压缩方块 |
| 和 | 六构型分别取导师论文Table 1数值 | 已确定 | 六种点阵构型对比 |
| 样品质量 | 本地样品建模时记录CAD体积，打印后称量 | 不设质量验收界限 | 5.27 g仅为导师论文CAD参考值 |
| PZT材料 | 供应商2 P-82为当前候选 | 待供应商确认 | PZT换能器选型 |
| PZT目标规格 | Ø25×0.8 mm、双面银电极、无基板 | 待供应商确认 | 到货尺寸优先于名义尺寸 |
| 均压板 | 上下各一块30×30 mm致密氧化铝方板；厚度3–5 mm为候选范围 | 暂定 | 兼作电气绝缘；双面研磨，最终尺寸待校核 |
| 氧化铝材料 | 优先询价96%及以上的致密氧化铝，具体牌号待定 | 待供应商确认 | 平面度和平行度先按不超过20 μm询价 |
| 试验机接口 | 压头、底座和载荷测量链尺寸 | 待现场测量 | 设备确认后补充 |
没有确认的输入不得在版本记录中标记为冻结。
三、六种点阵模型
3.1 几何来源
六种构型的名义参数统一引用六种点阵构型对比。建模时必须同时核对导师论文Figure 1，因为和在不同构型中对应的具体构件并不完全相同。
| 模型 | 名义文件代号 | 几何状态 | 核对重点 |
|---|---|---|---|
| Simple Square | SS | 未建立 | 方形框架厚度及节点连接 |
| Body-Centered Cubic | BCC | 未建立 | 外框与体心斜杆的组合方式 |
| Face-Centered Cubic | FCC | 未建立 | 面对角杆的方向和节点连接 |
| Combined BCC–FCC | CB | 未建立 | BCC与FCC构件是否重复或相交 |
| Diamond-Cubic | DC | 未建立 | 曲面或锥形内部构件的真实几何 |
| Tetrahedron-Cubic | TC | 未建立 | 四面体单元边界和单元间连接 |
DC和TC不能仅用通用直杆点阵近似。若无法从论文Figure 1唯一恢复几何，应向导师索取原始CAD或补充尺寸，不自行选择一种近似结构后宣称完成复现。
3.2 建模规则
- 先建立单个7.4 mm单胞，再按三个方向阵列为3×3×3；
- 保持导师论文中的单胞方向和加载方向；
- 不增加外壳、底板、顶板或为了打印方便而添加的永久支撑；
- 不通过改变杆件尺寸使CAD质量接近5.27 g；
- 暂不加入打印收缩补偿，首批打印后再根据实测尺寸决定是否需要；
- 每次修改均保留原版本，不覆盖已经用于打印或仿真的模型；
- CAD单位、导出单位和切片单位均使用mm。
3.3 几何核对
每种构型导出前至少检查：
- 外形包络为22.2×22.2×22.2 mm；
- 单胞数量和阵列方向正确；
- 、与导师论文Table 1一致；
- 相邻单胞节点连续，不存在悬空构件；
- 实体无自交、重复实体或非封闭表面；
- 上下加载面位置与导师论文压缩方向一致；
- 记录CAD体积，但不以体积或估算质量作为排除条件；
- 将三视图和轴测图与导师论文Figure 1逐项比较。
四、PZT夹盒
4.1 载荷路径
试验机上压头
↓
点阵样品
↓
上氧化铝均压板（兼作电气绝缘）
↓
上铜箔引电片（接触上银电极，侧向引出）
↓
PZT圆片（保留双面银电极）
↓
下铜箔引电片（接触下银电极，反向引出）
↓
下氧化铝均压板（兼作电气绝缘）
↓
试验机底座 / 载荷测量链旧方案中的FDM顶层受压板、FDM底部支撑、导电胶固定和整流电路不属于当前夹盒设计。
4.2 夹盒功能
夹盒只负责定位和引线保护，不应分担点阵传递到PZT的轴向载荷。上下氧化铝均压板同时承担均压和PZT与试验机金属边界之间的电气隔离。设计时应满足：
- 上下氧化铝均压板之间除PZT外，不存在刚性旁路；
- 夹盒侧壁、定位环或紧固件在加载范围内不同时接触上下均压板；
- PZT具有适当的径向间隙，具体数值按到货实测直径和夹盒制造精度确定；
- PZT、点阵和均压板具有可重复的中心定位基准；
- 导线焊点位于均压板覆盖范围之外；承压区内铜箔保持平整单层，无焊锡、折叠、毛刺或局部叠层；
- 引线在夹盒外设置应变释放，拉力不能传到铜箔与银电极接触面；
- 氧化铝均压板覆盖PZT电极，板面平整且无裂纹、崩边和明显划伤；
- 两块氧化铝均压板的平面度和平行度可测量，并能够重复拆装；
- 测试电路断开时，PZT两电极及引线与试验机金属件之间不存在意外导通；若测量电路设置接地点，应在接线图中单独记录；
- 对某一PZT区组测试六种构型期间，不拆卸该PZT。
4.3 铜箔引电片设计
PZT保留原有双面银电极，上下各增加一片无背胶薄铜箔作为接触引电片；铜箔采用平整单层的大面积接触片并带侧向引出舌，上下引出舌朝相反方向。导线在均压板覆盖范围之外焊接，焊接完成后再装配，并固定于夹盒以释放拉力。铜箔不代替银电极，也不预设提高电能输出；厚度、接触片尺寸、边缘退让和引出舌尺寸须经到货核对与预实验确认。
- 接触片尽量大面积且均匀覆盖有效接触区；不采用仅在承压区塞入一条窄铜箔的结构，避免局部厚度台阶。实际轮廓须结合银电极覆盖范围和边缘绝缘间隙确定。
- 不采用普通背胶铜箔胶带；胶层导电性和柔度不能视为已知。
- 上下铜箔分别定位，不能包绕PZT侧面、接触对侧电极或接触试验机金属件。引出舌通道设绝缘避让，不能形成绕过PZT的承载旁路。
- 铜箔与原银电极采用预载夹接。铜箔表面清洁、无明显氧化和残留焊剂；焊接、清洁及检查完成后再装入PZT夹盒。
- 定量预实验前，使用同一PZT与固定参考加载验证接触稳定性；具体流程及记录见电学测试和电学测试记录。未通过时修改夹盒或铜箔结构后复测。
- 同一PZT正式区组内不拆卸或更换铜箔。版本、厚度、轮廓和定位方式在正式比较前冻结；更换按装置变更记录并重新检查参考响应。
接线方式参考：PIEZO.COM接线说明。该说明支持电极可采用夹接，本文的铜箔层叠与尺寸属于本项目待验证设计，并非厂家认证方案。
4.4 尚未确定的尺寸
以下尺寸必须在PZT供货和试验机接口确认后确定：
- PZT定位腔直径和深度；
- 上下铜箔厚度、接触片轮廓与尺寸、边缘退让、引出舌宽度和长度；
- 引出舌定位与绝缘避让、引线槽宽度和深度、外部焊点位置；
- 夹盒外形和固定方式；
- 氧化铝均压板的材料牌号、最终长宽和厚度；
- 氧化铝均压板的平面度、平行度、表面状态和倒角；
- 点阵定位结构的间隙；
- 夹盒与试验机压头或底座的连接尺寸。
30×30 mm为当前覆盖尺寸，3–5 mm为厚度询价和校核范围，均不作为已经冻结的工程图尺寸。正式尺寸应在确认PZT电极覆盖范围、铜箔引出结构和预实验最大力和供应商加工数据后确定。
五、文件与版本规则
5.1 拟采用的文件名
| 类型 | 文件名示例 |
|---|---|
| CAD源文件 | SS_v01_native |
| 中性几何 | SS_v01.step |
| 打印网格 | SS_v01.stl |
| 夹盒装配 | PZT_fixture_v01.step |
| 工程图 | PZT_fixture_v01_drawing.pdf |
实际扩展名由所用CAD软件确定。文件名中的版本号必须与下方版本记录一致。
5.2 版本记录
| 版本 | 日期 | 对象 | 变更内容 | 文件位置 | 核对状态 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 2026-07-14 | 六种点阵 | 未发现现有模型文件 | — | 未开始 |
| — | 2026-07-14 | PZT夹盒 | 未发现现有模型文件 | — | 未开始 |
模型建立后，每次用于打印、仿真或实验前均新增一行，不以“最终版”等无版本名称代替编号。
六、建模完成条件
六种点阵
- 六个CAD源文件均已保存；
- 逐项核对导师论文Table 1和Figure 1；
- 外形、阵列方向和加载方向已经确认；
- 几何检查无自交和非封闭表面；
- STEP和STL导出后重新测量外形尺寸；
- 模型版本与六种点阵构型对比一致。
PZT夹盒
- PZT供货规格和到货尺寸已确认；
- 试验机接口尺寸已测量；
- 上下均压板不存在夹盒形成的载荷旁路；
- 氧化铝均压板的材料、尺寸、平面度和平行度已经确认；
- 根据点阵本体低应变试测的力范围和预定停机限值，完成氧化铝均压板的板厚及局部受力校核；
- 铜箔厚度、接触片与引出舌尺寸及绝缘避让已经经预实验确认并冻结；
- 铜箔单层平整、焊点在均压板外，上下铜箔无短路或载荷旁路；
- 同一PZT参考加载下的铜箔接触与重复装夹验证已通过；
- PZT定位、电气隔离和引线出口已经完成装配检查；
- 夹盒工程图和材料清单已保存；
- 使用替代圆片或报废PZT完成低载荷装夹试验；
- 低载荷试验后检查氧化铝板、PZT电极和电容，未发现损伤或异常变化。
七、下一步
- 对比六种点阵的原始CAD；
- 确认使用的CAD软件和模型保存目录；
- 先建立SS单胞并完成尺寸核对；
- 再建立BCC、FCC和CB；
- 取得原始几何或补充尺寸后建立DC和TC；
- 取得氧化铝均压板的材料、加工能力和尺寸数据；
- PZT到货尺寸和试验机接口确认后，开始夹盒详细设计。