上(y=0) 左(x=0)
右(x=b)
l
0 -1 1
m
-1 0 0
fxs
0
gyh1
gyh1
fys
gh1 0 0
代入公式(2-15)得
①在主要边界上x=0,x=b上精确满足应力边界条件:
xx0g(yh1),xyx00;xxbg(yh1),xyxb0;
②在小边界y0上,能精确满足下列应力边界条件:
yy0gh,xyy00
③在小边界yh2上,能精确满足下列位移边界条件:
uyh20,vyh02
这两个位移边界条件可以应用圣维南原理,改用三个积分的应力
边界条件来代替,当板厚=1时,可求得固定端约束反力分别为:
Fs0,FNgh1b,M0
由于yh2为正面,故应力分量与面力分量同号,则有:
bdxgh1b0yyh2b 0yyh2xdx0bdx00xyyh2⑵图2-18
①上下主要边界y=-h/2,y=h/2上,应精确满足公式(2-15)
l
m
fx(sfy(s
) )
hy
20 -1 0
q
yh 20 1
-q1 0
(y)y-h/2q,(yx)y-h/20,(y)yh/20,(yx)yh/2q1
②在x=0的小边界上,应用圣维南原理,列出三个积分的应力边
h/2()dxFSh/2xyx0h/2界条件:负面上应力与面力符号相反,有h/2(x)x0dxFN
h/2(x)x0ydxMh/2③在x=l的小边界上,可应用位移边界条件uxl0,vxl0这两个位移边界条件也可改用三个积分的应力边界条件来代替。
首先,求固定端约束反力,按面力正方向假设画反力,如图所示,列平衡方程求反力:
FNFSMFFyxq1lFNq1lFN 0,FNFN0,FSFSql0FSqlFS
q1lh121ql2MA0,MM'FSl2ql2q1lh0M2MFSl2
由于x=l为正面,应力分量与面力分量同号,故
h/2()dyFqlFN1Nh/2xxlq1lhql2h/2MFSl h/2(x)xlydyM22h/2()dyFqlFxyxlSSh/2【2-10】【解答】由于hl,OA为小边界,故其上可用圣维南原
理,写出三个积分的应力边界条件:
(a)上端面OA面上面力fx0,fyq
由于OA面为负面,故应力主矢、主矩与面力主矢、主矩符号相
xb反,有
bbxqbbdxfdxqdxyy00y0b02bbxqb2bb(对OA中点取矩) 0yy0xdx0fyxdx0qxdxb212b0yxy0dx0(b)应用圣维南原理,负面上的应力主矢和主矩与面力主矢和主矩符号相反,面力主矢y向为正,主矩为负,则
qbb0yy0dxFN2qb2b0yy0xdxM12bdx00xyy0
综上所述,在小边界OA上,两个问题的三个积分的应力边界条件相同,故这两个问题是静力等效的。
【2-14】【解答】在单连体中检验应力分量是否是图示问题的解答,必须满足:(1)平衡微分方程(2-2);(2)用应力表示的相容方程(2-21);(3)应力边界条件(2-15)。
(1)将应力分量代入平衡微分方程式,且fxfy0
xyx0 yxy0 显然满足 xyyx(2)将应力分量代入用应力表示的相容方程式(2-21),有
222q等式左=22xy=20=右
bxy应力分量不满足相容方程。
因此,该组应力分量不是图示问题的解答。 【解答】(1)推导公式
在分布荷载作用下,梁发生弯曲形变,梁横截面是宽度为1,高
h3为h的矩形,其对中性轴(Z轴)的惯性矩I,应用截面法可求
12q3qx2出任意截面的弯矩方程和剪力方程M(x)x,Fx。所以截
6l2l面内任意点的正应力和切应力分别为:
3Fsx4y2Mx3qx22x3y2xy2q3 xy12.3h4y。
2bhh4lhIlh根据平衡微分方程第二式(体力不计)。
y3qxyxy30得: y.2q3A yx2lhlhxy根据边界条件
3qxyxy3qxy.2q3.
2lhlh2lyyh/20得
qxA.2l故
将应力分量代入平衡微分方程(2-2)
第一式:
x2yx2y左6q.36q30右 满足
lhlh第二式 自然满足 将应力分量代入相容方程(2-23)
22xyxy左22xy12q.312q.30右
lhlhxy应力分量不满足相容方程。故,该分量组分量不是图示问题的解答。
【2-18】【解答】(1)矩形悬臂梁发生弯曲变形,任意横截面上的弯矩方程M(x)Fx,横截面对中性轴的惯性矩为Ih3/12,根据
z材料力学公式
M(x)12Fy3xy;该截面上的剪力为FsxF,剪应Izh弯应力x力为
Fs(x)S*F6Fh2hh/2y2xyybyy 33bIz22h41h/12取挤压应力y0(2)将应力分量代入平衡微分方程检验 第一式:左12F12Fyy0右 第二式:左=0+0=0=右 23hh该应力分量满足平衡微分方程。
(3)将应力分量代入应力表示的相容方程
左2(xy)0右 满足相容方程
(4)考察边界条件
①在主要边界yh/2上,应精确满足应力边界条件(2-15)
l
m
fx
fy
hy上2
h上2
0 -1 0 0
y0 1 0 0
代入公式(2-15),得
yy-h/20,xyyh/20;yyh/20,yxyh/20
②在次要边界x=0上,列出三个积分的应力边界条件,代入应力分量主矢主矩
h/2(x)x0dy0x向面力主矢h/2h/2h/2(x)x0ydy0面力主矩2h/26Fhh/22()dy(y)dyFy向面力主矢3h/2xyx0h/2h4
满足应力边界条件
③在次要边界上,首先求出固定边面力约束反力,按正方向假设,即面力的主矢、主矩,FN0,FSF,MFl
FNFSM其次,将应力分量代入应力主矢、主矩表达式,判断是否与面力主矢与主矩等效:
12Flydy0FNh/2h/2h3
h/2h/212F(x)xlydyly2dyFlM3h/2h/2h
h/2(x)xldyh/2
6Fh22()dyydyFFSh/2xyxlh/2h34h/2h/2
满足应力边界条件,因此,它们是该问题的正确解答。 【3-4】【解答】⑴相容条件:
不论系数a取何值,应力函数ay3总能满足应力函数表示的相容方程,式(2-25).
⑵求应力分量
当体力不计时,将应力函数代入公式(2-24),得
x6ay,y0,xyyx0
⑶考察边界条件
上下边界上应力分量均为零,故上下边界上无面力.
左右边界上;
当a>0时,考察x分布情况,注意到xy0,故y向无面力 左端:fx(x)x06ay 0yh fyxyx00 右端:fxxxl6ay (0yh) fy(xy)xl0 应力分布如图所示,当l力,等效为主矢,主矩
h时应用圣维南原理可以将分布的面
A
主矢的中心在矩下边界位置。即本题情况下,可解决各种偏心拉伸问题。
偏心距e:
因为在A点的应力为零。设板宽为b,集中荷载p的偏心距e:
(x)Appe20eh/6 bhbh/6同理可知,当a<0时,可以解决偏心压缩问题。
【3-5】【解答】(1)由应力函数ax2y,得应力分量表达式
x0,y2ay,xyyx2ax考察边界条件,由公式(2-15)(lxmyx)sfx(s) (mylxy)sfy(s)①主要边界,上边界yhfy(y)ah
2hh上,面力为fx(y)2ax
22②主要边界,下边界y
hfy(y)ah
2hh,面力为fx(y)2ax, 22③次要边界,左边界x=0上,面力的主矢,主矩为
x向主矢:Fxh/2(x)x0dy0,y向主矢:Fyh/2(xy)x0dy0
主矩:Mh/2(x)x0ydy0
次要边界,右边界x=l上,面力的主矢,主矩为x向主矢:
Fxh/2h/2h/2h/2h/2(x)xldy0
y向主矢:Fyh/2h/2h/2(xy)xldyh/2h/2(2al)dy2alh
主矩:Mh/2(x)xlydy0弹性体边界上面力分布及次要边界面上面力的主矢,
⑵bxy2,将应力函数代入公式(2-24),得应力分量表达式
x2bx,y0,xyyx2by
考察应力边界条件,主要边界,由公式(2-15)得 在yh2主要边界,上边界上,面力为
hhfxybh,fyy0
22ybh,fy在y,下边界上,面力为fxy0
222hhh在次要边界上,分布面力可按(2-15)计算,面里的主矢、主矩可通过三个积分边界条件求得:
在左边界x=0,面力分布为fxx00,fyx02by 面力的主矢、主矩为
h2h2xFyh2h2向主矢:
Fxxx0dy0y向主矢:
xyx0dyh2h22byx0dy0
主矩;Mh/2(x)x0ydy0,在右边界x=l上,面力分布为,,面力的主矢、主矩为 fxxl2bl,fyxl2by,
h/2x向主矢:Fxh/2xxldyh/22bldy2blhy向主矢:
Fy'h/2h/2h/2h/2xyxldyh/2h/22bydy0
h/2主矩:M'h/2xxlydyh/22blydy0
(3)cxy3,将应力函数代入公式(2-24),得应力分量表达式
x6cxy,y0,xyyx3cy2
h/2考察应力边界条件,在主要边界上应精确满足式(2-15)
2ych,fy①上边界y上,面力为fxy0
2422hh3h2ych,fy② 下边界y=上,面力为fxy0
2422hh3h次要边界上,分布面力可按(2-15)计算,面力的主矢、主矩可通过三个积分边界求得:
③左边界x=0上,面力分布为
fxx00,fyx03cy2面力的主矢、主矩为x向主矢:Fxy向主矢:Fy主矩:Mh/2-h/2h/2h/2h/2
ch3cydy142xx0dy0h/2xyx0dyh/23h/2xx0ydy0④右边界xl上,面力分布为fxxl6cly,fyxl3cy2 面力的主矢、主矩为
x向主矢Fxh/2h/2xxldyh/2h/2h/26clydy0
h/2y向主矢:Fyh/2yxldyh/23cy2dych3
主矩:Mh/2xxlydyh/26cly2dyclh3
弹性体边界上的面力分布及在次要边界上面力的主矢和主矩,如图所示
【3-6】【解答】(1)将应力函数代入相容方程(2-25)
44422240,显然满足 x4xyyh/2h/21412(2)将代入式(2-24),得应力分量表达式
3F4y212Fxy(12) x,y0,xyyx2hhh3(3)由边界形状及应力分量反推边界上的面力:
①在主要边界上(上下边界)上,y,应精确满足应力边界条件式(2-15),应力yyh/20,yxyh/20
因此,在主要边界yhhfxy0,fyy0
22h2h上,无任何面力,即2②在x=0,x=l的次要边界上,面力分别为:
3F4y212Fly3F4y2x0:fx0,fy1-2xl:fx3,fy12
2hh,2hhh因此,各边界上的面力分布如图所示:
③在x=0,x=l的次要边界上,面力可写成主矢、主矩形式:
x=0上 x=l上
x向主矢:FN1=y向主矢:FS1=主矩:M1=h/2-h/2h/2h/2h/2fxdy0, FN2fydyF, FS2h/2h/2h/2fxdy0fydyFfxydyFl
h/2h/2h/2fxydy0, M2h/2【3-7】【解答】(1)将应力函数代入式(2-25)
412qy24qy4424qy220,, 223443xyhh3xyh代入(2-25),可知应力函数满足相容方程。 (2)将代入公式(2-24),求应力分量表达式:
26qx2y4qy33qy2q4y33yx2fxx33,y2fyy(31)
yhh5hx2hh26qxh23(y2)
xyh4 xyyx(3)考察边界条件,由应力分量及边界形状反推面力:
①在主要边界y(上面),应精确满足应力边界条件(2-15)
hhfxyyx0,fyyyqyh/2yh/222h在主要边界y下面,也应该满足2152 fxyh/2yx0,fyyh/2y0yh/2yh/2h2在次要边界x0上,分布面力为fxx0xx03qy4qy33,fyx0xy0x05hh应用圣维南原理,可写成三个积分的应力边界条件:
FNFSMh/2h/2h/23qy4qy3fxdyh/2h35hh/2dy0h/2h/2fydy0fxydy3qy4qy3h/2h35hh/2
h/2ydy0④在次要边界xl上,分布面力为
6ql2y4qy33qy6qlh233,fyxlxyxl3y2
hh5hh4fxxlxxl应用圣维南原理,可写成三个积分的应力边界条件:
236qly4qy3qyFNf(xl)dy33dy0h/2xh/2hh5h2h/2h/26qlhFsfy(xl)dy3y2dyql
h/2h/2h4h/2h/26ql2y4qy33qy12M'fx(xl)ydy33ydyqlh/2h/2hh5h2h/2h/2【3-8】【解答】采用半逆法求解。
由材料力学解答假设应力分量的函数形式。 (1)假定应力分量的函数形式。
根据材料力学,弯曲应力y主要与截面的弯矩有关,剪应力xy主要与截面的剪力有关,而挤压应力x主要与横向荷载有关,本题横向荷载为零,则x0
(2)推求应力函数的形式
2将x0,体力fx0,fyg,代入公式(2-24)有x2fxx0
yfx (a)yfxf1x (b) y对y积分,得
其中fx,f1x都是x的待定函数。 (3)由相容方程求解应力函数。
d4fxd4f1x0 将(b)式代入相容方程(2-25),得ydx4dx4(c)
在区域内应力函数必须满足相容方程,(c)式为y的一次方程,相容方程要求它有无数多个根(全竖柱内的y值都应满足它),可见其系数与自由项都必须为零,即
d4fxd4f1x0,0两个方程要求fxAx3Bx2Cx,f1xDx3Ex2 4dxdx(d)
fx中的常数项,f1x中的常数项和一次项已被略去,因为这三
项在的表达式中成为y的一次项及常数项,不影响应力分量。将(d)式代入(b)式,得应力函数
yAx3Bx2CxDx3Ex2 (e)
(4)由应力函数求应力分量
2x2fxx0 (f)
y2y2fyy6Axy2By6Dx2Egy (g)
x23Ax22BxC (h)
xyxy(5)考察边界条件
利用边界条件确定待定系数A、B、C、D、E。 主要边界x0上(左):
xx00,(xy)x00
将(f),(h)代入
xx00,自然满足
(xy)x0C0 (i)
主要边界xb上,
xxb0,自然满足
(xy)xbq,将(h)式代入,得
(xy)xb3Ab22BbCq (j)
在次要边界y0上,应用圣维南原理,写出三个积分的应力边界条件:
b0(y)y0dx6Dx2Edx3Db22Eb0 (k)
0bb0(y)y0xdx6Dx2Exdx2Db3Eb20 (l)
0bb0(yx)y0dx3Ax22BxCdxAb3Bb2Cb0 (m)
0b由式(i),(j),(k),(l),(m)联立求得
Aqq, B, CDE0 2bb代入公式(g),(h)得应力分量
2qxxq313gy, xx2xy bbbbx0, y【3-9】【解答】按半逆解法求解。
⑴将应力函数代入相容方程(2-25)显然满足。 ⑵由公式(2-24)求应力分量表达式,体力为零,有
222A3Bx2 x20,y26Bxy,xyyxxyxy⑶考察边界条件:
在主要边界xb2上,精确满足公式(2-15)
xxb/20,(xy)xb/2q
第一式自然满足,第二式为
3ABb2q (a)
4②在主要边界x=b/2上,精确满足式(2-15)
xxb/20,xyxb/2q
第一式自然满足,第二式为
3ABb2q (b)
4③在次要边界y=0上,可用圣维南原理,写出三个积分的应力边界条件:
b/2yb/2y0dx0 满足
b/2yb/2y0xdx0 满足
1dxA3BxdxAbBb0 (c) yxb/2y0b/24b/2b/223联立(a)(c)得系数
q2qA,B2
2b代入应力分量表达式,得
12qqx2x0,y2xy,xy1122
b2b【3-10】【解答】采用半逆解法求解
(1)将应力函数代入相容方程(2-25),显然满足 (2)由应力函数求应力分量,代入公式(2-24)
2B6By6Dxyx (a) 0y2A3Dyyxxy(3)考察边界条件
①主要边界yh/2上,应精确满足应力边界条件
yyh/20, 满足
xyyh/230, 得ADh20 (b)
4②在次要边界x=0上,应用圣维南原理,写出三个积分的应力边界条件
h/2xx0dyFNh/22B6CydyFNBh/2h/2xx0h/2FN 2hh/22MydyM2B6CyydyMC3
h/2hh/2h/2h/2xyx0dyFs1A3Dy2dyFsAhDh3Fs (c)
h/24h/2联立方程(b)(c)得
A3Fs2F,D3s 2hh最后一个次要边界xl上,在平衡微分方程和上述边界条件均已满足的条件下是必然满足的,故不必在校核。
将系数A、B、C、D代入公式(a),得应力分量 【3-11】【解答】采用半逆解法求解
(1) 检验应力函数是否满足相容方程(2-25)
设应力函数=Ax3Bx2yCxy2Dy3,不论上式中的系数如何取值,纯三次式的应力函数总能满足相容方程(2-25)
(2) 由式(2-24)求应力分量
由体力分量fx0,fyg,将应力函数代入公式(2-24)得应力分量:
2x2fxx2Cx6Dy (a)
y2y2fyy6Ax2Bygy (b)
y2xy2Bx2Cy (c)
xy(3)考察边界条件:由应力边界条件确定待定系数。
①对于主要边界y0,其应力边界条件为:
(y)y00,
(yx)y00 (d)
将式(d)代入式(b),(c),可得
A0,B=0 (e)
②对于主要边界yxtan(斜面上),应力边界条件:
在斜面上没有面力作用,即fxfy0,该斜面外法线方向余弦为,,得应力边界条件 lsin,mcos.由公式(2-15)
sin(x)yxtancos(yx)yxtan0 (f)
sin(xy)yxtancos(y)yxtan0将式(a)、(b)、(c)、(e)代入式(f),可解得
Cg2cot,Dg3cot2 (g)
将式(e)、(g)代入公式(a)、(b)、(c),得应力分量表达式:
xgxcot2gycot2 ygyxygycot【3-12】【解答】按半逆解法求解。
x2(1)由§3-4可知应力函数的函数形式为(Ay3By2CyD)2
x(Ey3Fy2Gy)A5B4yyHy3Ky2,由§3-4可知,必然满足相106容方程(2-25)。
(2)应力分量的表达式:
x2x(6Ay2B)x(6Ey2F)2Ay32By26Hy2K (a)
2yAy3By2CyDgy
(b)
xyx(3Ay22ByC)(3Ey22FyG) (c)
(3)考虑对称性
因为yz面是梁和荷载的对称面,所以应力分布应当对称于yz面。这样x和y是x的偶函数,而xy是x的奇函数,于是由式(a)和式(c)可见
EFG0 (d)
(4)考察边界条件:
①在主要边界yh2上,应精确满足应力边界条件(2-15),
(y)yh20,(yx)yh20
将应力分量式(b)、(c)代入,并注意到EFG0,可得:
h3h2hgABCDh084223h2hghABCDh08422 32x(AhhBC)043x(Ah2hBC)04联立此四个方程,得:
A2g3,B0,Cg,D0 (e) h22将式(d)、(e)代入式(a)、(b)、(c)
x6g24g3xyy6Hy2K (f) 22hh2g3gyy (g) 2h2yxy6g23gxyx2h2
(h)
②考察次要边界条件
由于问题的对称性,只需考虑其中的一边,如右边。右边界xl上,fx0,不论y取任何值(h2yh2),都有x0。由(f)式可见,这是不可能的,除非,H,K均为零。因此,只能用应力x的主矢、主矩为零,即
h/2h/2(x)xldy0 (i)
h/2h/2(x)xlydy0 (j)
将(f)式代入式(i)得
4g36g2xyy6Hy2Kdy0 h/2h2h2h/2积分后得 K=0 (k)
将式(f)代入式(i),得
4g36g2lyy6Hy2Kydy0 22h/2hhh/2积分后得
l21Hg(2) (l)
h10将(k)、(l)代入式(f),得
6g24g3l21x2xy2y6g(2)y (m)
hhh10考察右边界上切应力分量xy的边界条件: 右边界上fyglh,则xy的主矢为
h/2h/2xyxldy6g23gxyh/2h22h/2xdyglhfy xl可知满足应力边界条件。
将式(g),(h),(m)略加整理,得应力分量的最后解答:
6g24g3l21Xh2xyh2y6g(h210)y2g3g (n) yyy2h26g23gxyx2xyh2(5)应力分量及应力分布图
h3h2y2梁截面的宽度取为1个单位,则惯性矩I,静矩是S。
1282根据材料力学截面法可求得截面的内力,可知梁横截面上的弯矩
l2x2,Fsxghx 方程和剪力方程分别为Mxgh2则式(n)可写成:
Mx4y23ygy(2)xIh5gy2 y(142)y2hFsxSxybI【3-13】【解答】用半逆解法求解。 (1)相容条件:
将应力函数代入相容方程式(2-25),得
120Ay24By0
要使满足相容方程,应使
1AB (a)
5(2)求应力分量,代入式(2-24)
x20Ay36Bx2y6Cy20Ay330Ax2y6Cy33 (b) y2By2D2Ey10Ay2D2Ey226Bxy2Ex30Axy2Exxy(3)考察边界条件
①在主要边界yh2上,应精确到满足应力边界条件
(y)yh20,即-103Ah2DEh0 (c) 8103Ah2DEhq (d) 8(y)yh2q,即(yx)yh20,即30Axh22Ex0 (e) 4联立式(a)、(c)、(d)、(e),可得:
Aqq3qq (f) ,D,E,B5h344hh3 ②在次要边界x0上,主矢和主矩都为零,应用圣维南原理,写出三个积分的应力边界条件:
h/2h/2(x)x0dy0 满足条件
Ah53()ydy(20Ay6Cy)ydy0Ch0 (g) xx0h/2h/22h/2h/23h/2h/2(xy)x0dy0 满足
将A的值带入(g),得 C=
q
(h) 10h
将各系数代入应力分量表达式(b),得
yy23x2xqh(4h256h2)qyy3y(1343)
2hh3qxy2(142)xy2hh【3-14】【解答】采用半逆解法求解。 (1) 相容条件:
将应力函数代入相容方程(2-25),显然满足。 (2) 求应力分量:将代入(2-24)
2A6Cxy6Dyxy0 (a) 2B3Cyxy(3) 考察边界条件。
①在主要边界yb/2上,应精确满足应力边界条件 yyb/20 满足
xyyb/23q,BCb2q (b)
4②在次要边界x=0上,可用圣维南原理,写出三个积分应力边界条件
b/2b/2(x)x0dyF (2Ay3Dy2)b/2b/2F (c)
123()ydyMAy2DyM (d) xx0b/22b/2b/2b/2b/2xyb/2xodyF ByCy3b/2b/2F (e)
联立(b)、(c)、(d)、(e)式得
13F2FF2MqCqD,B,, (f) 2bb2b2bb3A将各系数据(f)代入式(a),得应力分量解答
【3-15】【解答】(1)假设应力分量的函数形式。因为在yb/2边界上,y0;yb/2边界上,y2gx,所以可以假设在区域内
y为yxfy
(2)推求应力函数的形式。由y推求的形式
2y2xfyx2xfyf1y
x2x3fyxf1yf2y
6(3)由相容方程求应力函数。将代入40,得
d4f1d4f2x3d4fd2fx42x20 6dy4dydy4dy要使上式在任意的x处都成立,必须
d4f0f(y)Ay3By2CyD;4dyd4f1d2fA5B43220f(y)yyGyHyIy; 142dydy106d4f20f2(y)Ey3Fy24dy代入即得应力函数的解答,其中已经略去了与应力无关的一次项,得
应
力
函
数
为
:
x3Ay5By432(AyByCyD)x(Gy3Hy2Iy)(Ey3Fy2)
6106(4)由应力函数求应力分量,将代入公式(2-24),注意体力
fx1g,fy0,求得应力分量表达式
2Bx2fxxx3Ayx2Ay32By26Cy2Hy3 6Ey2F1gx2y2fyyxAy3By2CyDx2x22B3Axy3Ay22ByCy4y3Gy22HyIxy232
(5)考察边界条件
在主要边界yb/2上,应精确满足应力边界条件
b3b2b2gxxABCD2gx428b3b2b0 xABCD0842b4x23b2b33b20 ABbCABG2412432HbI0yyb/2yyb/2
xyyb/2由上式得到
3b2b4b33b2ABbC0,ABG432124HbI0
求解各系数,得
A231g,B0,Cg,D2g,H0 223b2b2b3b2I2gG (a) 164在次要边界x0上,列出三个积分的应力边界条件
b/2b/2b/2xx0dy0 F0b/2b/2xx0ydy0 E0
bb2xydy0 I2gG (b)
2x0由式(a)、804解出
Ib8012g,G10b2g b/(b)将各系数代入应力分量的表达式,得
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