10-EFT.WP.Core.Tension v1.0 | 附录B 数据与几何格式

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附录B 数据与几何格式

I. 总览与版本

1. 目标：规范 gamma(ell)、网格/网络、物性、载荷/边界、动力学与到达时数据之交换格式，保证与 S72-*、Mx-7*、I70-* 接口一致。
2. 版本标识
   • schema = "EFT.Core.Tension/1.0"
   • unit_system = "SI"（长度 m，质量 kg，时间 s，力 N，压强 Pa）
3. 全局主键
   • uuid（RFC4122）、hash_sha256（二进制资源校验）
   • created_at、modified_at（ISO 8601）
4. 跨卷锚点
   n_eff,c_ref,T_arr,S_xx(f) 与《Core.Density》《Core.Sea》《Core.Threads》对齐。

II. 坐标系与计量元数据

1. 坐标系字段
   • frame.name（如 "world"）、frame.axes = ["x","y","z"]、frame.right_handed = true
   • frame.origin = [x0,y0,z0]、frame.orientation_quat = [qw,qx,qy,qz]
2. 度量与测度
   • metric.base = "euclid" | "user"；若 "user"，需提供 metric.ds2_expr 与参数。
   • 显式测度元：沿线 d ell，曲面 dA，体积 dV。记录
     1. arc_length_rule = "polyline" | "spline"
     2. area_rule = "tri"（三角片）或 "quad"（四边片）
3. 单位与量纲
   • units.length = "m"，units.mass = "kg"，units.time = "s"
   • units.force = "N"，units.pressure = "Pa"，units.surface_tension = "N/m"

III. 几何对象：线元 Path

1. 基本字段
   • path.id，path.name，path.metric（继承 II）
   • nodes = [ {id, x, y, z}, ... ]（按弧长有序）
   • segments = [ [id_i, id_j], ... ]
2. 弧长与切向
   • ell[0] = 0；若 metric.base = "euclid" 且 arc_length_rule = "polyline"，则
     ell[i] = ell[i-1] + || x_i - x_{i-1} ||
   • 可选存储 t_hat[i] 与 kappa[i] 以缓存 S72-5、Mx-73 求解所需导数。
3. 线性物理场绑定
   • section.A，section.rho_m，section.E（与 rho_l = rho_m * A 一致）
   • tension.T_fil_init（初值或常量），damping = {a,b}（Rayleigh）
4. 离散负载
   q_distributed = [ {ell, value}, ... ]（单位 N/m），支持 interp = "linear" | "cubic"

IV. 几何对象：面元 Surface/Membrane

1. 基本字段
   • surface.id，surface.name，vertices = [ {id,x,y,z}, ... ]
   • faces = [ [v1,v2,v3], ... ]（或 quad）
   • boundary_loops = [ [v_a,...], ... ]
2. 膜参数与曲率
   • sigma_s（可常量或纹理字段 per_face/per_vertex）
   • 可选 kappa1, kappa2（预计算曲率）
   • 压差接口：delta_p_bc（用于 S72-3 : Δp = sigma_s * ( kappa1 + kappa2 )）

V. 拓扑与网络（连接/分叉）

1. 网络图
   • graph.nodes = [ {id, x,y,z, type="junction|terminal"} ]
   • graph.edges = [ {id, path_ref, n1, n2, orientation=+1|-1} ]
2. 结点约束与外力
   • node_bc = [ {node_id, type="dirichlet|neumann|robin", data:{...}} ]
   • 平衡验算：S72-7 : ∑ T_i * t_hat_i + f_ext = 0
3. 接口阻抗
   • junction.impedance = {Z_local, freq_dep:false|true, model:"table|rational"}
   • 透射/反射输出：{r_amp,t_amp,R_ref,T_trans}，满足 R_ref + T_trans = 1

VI. 材料与物性表

• 线元材料卡 mat_line
  E，rho_m，A，loss = {a,b}，limits = {T_fil_max, strain_max}
• 膜材料卡 mat_surface
  sigma_s，rho_s（面密度，可缺省），bending_mod（若考虑弯曲）
• 标准字段
  source（数据来源），lot（批次），temperature（K），humidity（%）

VII. 载荷与边界条件

1. 端部/结点载荷
   point_loads = [ {node_id, f = [Fx,Fy,Fz]} ]（单位 N）
2. 沿线分布载荷
   q(ell,t) 采用片段化表：segments:[ {ell0, ell1, law:"const|linear|table", params:{...}} ]
3. 边界条件
   • Dirichlet：u = u_bar；Neumann：t = sigma · n_hat；Robin：alpha*u + beta*t = g
   • 字段统一：bc = {type, location:"node|edge|face|path_end", data:{...}}

VIII. 动力学数据与谱数据

1. 时域数据集
   • timeseries.fs（Hz），timeseries.t0（s），channels = ["u","du_dt","force",...]
   • y = [ [t0, v0_1, v0_2,...], [t1, v1_1,...], ... ]
2. 频域数据集（与《Core.Sea》一致）
   S_xx(f)：freqs = [f_k]，S = [S_k]，单位按传感器定义
3. 模态识别辅助
   peaks = [ {f_n, zeta_n, conf}, ... ]，供 estimate_tension_from_modes 使用

IX. 到达时与校准数据

1. 到达时记录
   • T_arr 两口径同时存储：
     1. T_arr_const = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell )
     2. T_arr_general = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )
   • 一致性：delta_form = | T_arr_const - T_arr_general |（单位 s）
2. 相关字段
   • n_eff_profile = [ {ell, n_eff}, ... ]，c_ref（m/s）
   • calibration.note（过程元数据），trace_ref（时序索引）

X. 离散化与数值控制

1. 网格与时间步
   • Δell（m），Δt（s），order.space = 1|2|4，order.time = 1|2
   • 稳定性：S72-12 : Δt ≤ CFL * ( Δell / c_max )，存 CFL 与 c_max
2. 阻尼与能量核查
   • damping = {a,b}；能量：
     E_total(t) = ( ∫ ( T_fil * (∂_ell u)^2 / 2 ) d ell ) + ( ∫ ( rho_l * (∂_t u)^2 / 2 ) d ell )
   • 记录 ΔE_rel（相对漂移）

XI. 文件容器与交换格式

• 容器
  *.eft.json（主描述）、/geom/*.ply|*.stl（几何）、/series/*.csv（时序）、/spectra/*.csv（谱）
• JSON 约定
  UTF-8，无注释；数值字段 SI 单位；数组按弧长或时间递增。
• CSV 约定
  首行表头，逗号分隔；时间列名 t_s，弧长列名 ell_m。

XII. 字段校核与一致性规则

• 单位守恒：T_fil 用 N，sigma_s 用 N/m，sigma_ij 用 Pa。
• 几何闭合：segments 应覆盖 nodes，无悬孤节点。
• 波速一致：若提供 T_fil,rho_l,L_gamma,T_arr，应满足 c = L_gamma / T_arr 与 c = sqrt( T_fil / rho_l ) 在容差内一致。
• 无损接口：R_ref + T_trans = 1。
• 采样一致：len(y) * Δt 与时间戳跨度一致；fs ≈ 1 / Δt。
• 两口径到达时差：delta_form 应小于项目设定阈值。

XIII. 最小 JSON 示例（线元 + 载荷 + 离散化）

{
  "schema": "EFT.Core.Tension/1.0",
  "unit_system": "SI",
  "frame": { "name": "world", "axes": [ "x", "y", "z" ], "right_handed": true },
  "metric": { "base": "euclid", "arc_length_rule": "polyline" },
  "path": {
    "id": "P1",
    "name": "string-A",
    "nodes": [ { "id": "n0", "x": 0.0, "y": 0.0, "z": 0.0 }, { "id": "n1", "x": 1.0, "y": 0.0, "z": 0.0 } ],
    "segments": [ [ "n0", "n1" ] ],
    "section": { "A": 1e-06, "rho_m": 7850.0, "E": 200000000000.0 },
    "tension": { "T_fil_init": 100.0 },
    "damping": { "a": 0.0, "b": 0.0 }
  },
  "loads": {
    "q_distributed": [ { "ell": 0.5, "value": 0.1 } ],
    "point_loads": [ { "node_id": "n1", "f": [ 0.0, 1.0, 0.0 ] } ]
  },
  "bc": [
    {
      "type": "dirichlet",
      "location": "path_end",
      "data": { "node_id": "n0", "u_bar": [ 0, 0, 0 ] }
    },
    {
      "type": "dirichlet",
      "location": "path_end",
      "data": { "node_id": "n1", "u_bar": [ 0, 0, 0 ] }
    }
  ],
  "discretization": { "Delta_ell": 0.01, "Delta_t": 0.0005, "CFL": 0.9, "c_max": 100.0 }
}

XIV. CSV 表头示例

• 时序 series/displacement.csv
  t_s,u_m（单通道位移）或 t_s,u_m,du_dt_mps,force_N（多通道）
• 谱 spectra/Sxx.csv
  f_Hz,Sxx（与《Core.Sea》一致）
• 弧长场 series/q_line.csv
  ell_m,q_N_per_m

XV. 网络与接口 JSON 片段

{
  "graph": {
    "nodes": [
      { "id": "J1", "x": 0, "y": 0, "z": 0, "type": "junction" },
      { "id": "T1", "x": 1, "y": 0, "z": 0, "type": "terminal" },
      { "id": "T2", "x": 0, "y": 1, "z": 0, "type": "terminal" }
    ],
    "edges": [
      { "id": "E1", "path_ref": "P1", "n1": "J1", "n2": "T1", "orientation": 1 },
      { "id": "E2", "path_ref": "P2", "n1": "J1", "n2": "T2", "orientation": 1 }
    ]
  },
  "junctions": [
    {
      "node_id": "J1",
      "impedance": { "Z_local": 0.05, "freq_dep": false },
      "scattering": { "r_amp": -0.2, "t_amp": 0.8, "R_ref": 0.04, "T_trans": 0.96 }
    }
  ]
}

XVI. 到达时与校准 JSON 片段

{
  "calibration": {
    "L_gamma_m": 1.0,
    "rho_l_kg_per_m": 0.00785,
    "c_ref_mps": 1500.0,
    "n_eff_profile": [ { "ell": 0.0, "n_eff": 1.0 }, { "ell": 1.0, "n_eff": 1.0 } ],
    "T_arr_const_s": 0.000667,
    "T_arr_general_s": 0.000667,
    "delta_form_s": 0.0,
    "checks": { "c_from_toa_mps": 1499.25, "c_from_mech_mps": 1499.25, "ratio_c": 0.9997 }
  }
}

XVII. 字段—方程对照（用于机读校核）

• L_gamma ↔ L_gamma = ( ∫ 1 d ell )
• rho_l ↔ rho_l = rho_m * A
• wave.c ↔ S72-6 : c = sqrt( T0 / rho_l )
• dyn.balance ↔ S72-5 : rho_l ∂_tt u = ∂_ell( T_fil ∂_ell u ) + q
• surface.delta_p ↔ S72-3 : Δp = sigma_s * ( kappa1 + kappa2 )
• contact.theta_c ↔ S72-4 : sigma_sv = sigma_sl + sigma_lv * cos(theta_c)
• junction.scattering ↔ S72-9, S72-10, S72-11

XVIII. 最终校验清单

• 几何序一致（ell 递增），边界闭合，法向与切向可导出。
• 单位一致且与 unit_system 匹配。
• R_ref + T_trans = 1（无损假设）与能量核查 ΔE_rel 在阈内。
• Δt 满足 S72-12；fs ≈ 1 / Δt。
• T_arr 两口径差 delta_form 记录并小于阈值。
• 所有外部资源（几何、时序、谱）与主 JSON 通过 uuid/hash_sha256 一致绑定。