索夾鑄造與受力計(jì)算建模模擬技術(shù)在監(jiān)理工作中的應(yīng)用研究

王鵬

摘? 要：文章從監(jiān)理工程師的角度出發(fā)，針對(duì)懸索橋索夾制造的重難點(diǎn)進(jìn)行探討。使用機(jī)械模型專用軟件solidworks建模，模擬虎門二橋索夾SJ-2投入使用后的受力狀態(tài)，找出其受力關(guān)鍵點(diǎn)并以此作為索夾制造過程中質(zhì)量控制的重點(diǎn)部位。將solidworks模型根據(jù)鑄造方案進(jìn)行補(bǔ)充，通過軟件接口導(dǎo)入鑄造專用軟件Anycasting程序，模擬其鑄造過程，驗(yàn)證整體鑄造方案的可行性。最終通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，制定相應(yīng)的索夾制造過程中監(jiān)理質(zhì)量控制措施，為精細(xì)化的質(zhì)量控制監(jiān)理工作提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：索夾制造，索夾鑄造，受力計(jì)算，計(jì)算機(jī)建模，監(jiān)理工程師

一、工程概況

廣東省虎門二橋大沙水道橋采用主跨跨徑1200米的雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，索夾采用上下對(duì)合的結(jié)構(gòu)形式，上、下兩半索夾用M45高強(qiáng)度螺桿相連夾緊，兩端配M45的螺母、內(nèi)球面墊圈、外球面墊圈、防水螺母。在接縫處上半索夾的內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽，下半索夾的內(nèi)側(cè)設(shè)有凸出的嵌齒，上下半索夾的外側(cè)嵌填橡膠防水條防水。索夾螺桿做成縮腰形，以免在螺紋處斷裂。

由于主纜傾角不同，所需的夾緊力不同，索夾長(zhǎng)度和螺桿數(shù)量均不相同，為節(jié)省模型，將相近長(zhǎng)度的索夾并為一組。同一組索夾耳板銷孔位置略有變化，以適應(yīng)索夾傾角的變化。全橋索夾共分為8種類型，其中有吊索索夾6種，無吊索索夾2種，其中邊跨緊纜索夾和錐形索夾各1種。

索夾鑄鋼件材料為ZG20Mn，應(yīng)符合《大型低合金鋼鑄件》（JB/T6402-2006）標(biāo)準(zhǔn)要求。索夾緊固件均采用合金鋼制造，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077-1999）標(biāo)準(zhǔn)要求。上、下半索夾之間的密封條采用乙丙橡膠，其扯斷強(qiáng)度≥15MPa，紹爾硬度A40±5，永久變形≤20%。

上述原材料均需進(jìn)行進(jìn)廠檢查驗(yàn)收，驗(yàn)收時(shí)首先核查材料的合格證書等有關(guān)原始資料，然后按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行入廠檢驗(yàn)復(fù)查，對(duì)材料的有關(guān)理化性能、規(guī)格型號(hào)、外觀質(zhì)量等進(jìn)行檢查，只有經(jīng)要求檢查均合格的情況下方可投入使用。

本文將闡述有吊索索夾類型在計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算技術(shù)中的應(yīng)用。

二、計(jì)算機(jī)模型

2.1索夾模型（前視基準(zhǔn)面）

通過計(jì)算機(jī)建模軟件Solid Works對(duì)有吊索索夾進(jìn)行三維立體建模，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸參數(shù)要求確定索夾模型前視基準(zhǔn)面尺寸參數(shù)。（見圖1）

2.2索夾模型（右視基準(zhǔn)面）

索夾模型前視基準(zhǔn)面尺寸參數(shù)確定完畢后，通過橫向拉伸功能對(duì)索夾模型右視基準(zhǔn)面進(jìn)行尺寸參數(shù)的確定。（見圖2）

注明：

在索夾下半（圖2）中，標(biāo)記尺寸21.45°是用來確定索夾耳板銷孔位置的，因每套索夾在主纜上的分布位置不同，且每套索夾所承載的吊索力也不相同，因此每套索夾在該部位標(biāo)定角度是不相同的。

2.3索夾模型（上視基準(zhǔn)面）

索夾模型右視基準(zhǔn)面尺寸參數(shù)確定完畢后，對(duì)索夾模型上視基準(zhǔn)面進(jìn)行尺寸參數(shù)的確定。

2.4索夾整體模型

索夾模型上視基準(zhǔn)面尺寸參數(shù)確定完畢后，則該類索夾立體建模工作完成。（見圖3）

2.5索夾裝配體模型

將已建模完成的索夾上半、索夾下半及裝配完成的螺桿裝配體通過Solid Works裝配程序，設(shè)置面與面貼合的方式將其裝配組合。（見圖4）

三、模型受力分析

3.1確定受力分析索夾類型

通過計(jì)算機(jī)受力分析軟件Solid Works Simulation程序?qū)σ蜒b配完成的索夾添加吊索力（單位：KN），依據(jù)設(shè)計(jì)要求每套索夾在主纜上的分布位置不同，因此每套索夾的耳板銷孔位置也相應(yīng)是不相同的，都是由索夾傾角確定，而索夾傾角、最不利吊索力、恒載作用下的吊索力這三組數(shù)據(jù)都是相互對(duì)應(yīng)的。（見圖5）

注明：

本文將分析有吊索索夾：SJ2，索夾傾角a：21.452°、最不利吊索力：2162.8KN該組索夾的受力分析情況。

3.2設(shè)置索夾拉桿件參數(shù)

運(yùn)用Solid Works Simulation程序，對(duì)實(shí)際受力過程起到上下半索夾夾緊作用的索夾拉桿進(jìn)行規(guī)格尺寸、夾緊力等參數(shù)的設(shè)置。（見圖6）

注明：

索夾拉桿螺栓直徑45mm、螺母直徑70mm及軸載荷夾緊力705000 N，均為施工設(shè)計(jì)圖中設(shè)計(jì)說明及設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求。

3.3設(shè)置索夾相觸面組

在Solid Works Simulation程序，選定索夾上半與索夾下半為相觸面組，并給定零部件相互間摩擦系數(shù)差數(shù)。

注明：

在設(shè)置索夾相觸面零部件參數(shù)時(shí)，所設(shè)置的零部件之間摩擦系數(shù)為0.05，該數(shù)值為系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)，因索夾上半、下半相接觸部位為齒型結(jié)構(gòu)，凹槽與凸臺(tái)間的配合方式為間隙配合，因受到結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的約束，結(jié)構(gòu)件在受到外力作用下，出現(xiàn)橫向滑移情況可忽略考慮。

3.4設(shè)置零部件相觸

在Solid Works Simulation程序中，還應(yīng)對(duì)索夾裝配體與模擬主纜設(shè)置零部件相觸，并且還需設(shè)置索夾裝配體與主纜之間的摩擦系數(shù)參數(shù)。

注明：

在設(shè)置零部件相觸時(shí)，索夾裝配體與模擬主纜之間的摩擦系數(shù)，即為索夾與主纜間的抗滑移系數(shù)，當(dāng)索夾受到最大吊索力（即為設(shè)計(jì)給出的最不利吊索力）時(shí)，索夾與主纜相對(duì)是不允許發(fā)生位移的，在計(jì)算機(jī)模擬受力過程中也必須保證兩部件相對(duì)靜止，故在此處摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，以確保索夾裝配體與模擬主纜呈現(xiàn)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。

3.5設(shè)置固定幾何體

在索夾受力計(jì)算過程中，在Solid Works Simulation程序中，將模擬主纜設(shè)定為固定幾何體，主纜兩端面使用夾具功能將其固定約束。

3.6設(shè)置外部載荷

在Solid Works Simulation程序中，在索夾耳板銷孔位置上設(shè)置局部坐標(biāo)系1、坐標(biāo)系2并添加軸承載荷，軸承載荷力的方向與兩個(gè)坐標(biāo)系Y軸方向一致。

注明：

在設(shè)置索夾耳板銷孔位置的外部載荷時(shí)，此處設(shè)計(jì)給出兩種外部荷載力即上圖5中所述：索夾類型：SJ2，最不利吊索力：2162.8KN，恒載作用下吊索力1851.1KN。因最不利吊索力>恒載作用下吊索力，所以只考慮索夾在受到最不利吊索力情況下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)的受力分析云圖。

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際相吻合，在實(shí)際情況下索夾耳板銷孔部位還安裝有關(guān)節(jié)軸承部件，所以在計(jì)算機(jī)模擬設(shè)置參數(shù)時(shí)添加的荷載方式為軸承荷載。

3.7設(shè)置有限元網(wǎng)格模型

采用有限元計(jì)算程序Solid Works Simulation對(duì)索夾進(jìn)行有限元受力分析，索夾有限元網(wǎng)格模型。（見圖7）

注明：

單元數(shù)目根據(jù)默認(rèn)精度自動(dòng)劃分，在設(shè)置索夾有限元網(wǎng)格模型時(shí)，還應(yīng)添加索夾ZG20Mn的材料特性：密度 7850Kg/m3，彈性模量 205GPa，泊松比 0.30等參數(shù)。

3.8索夾模型受力分析計(jì)算

在Solid Works Simulation程序中將以上限定條件設(shè)置完畢后，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算求得索夾模型在承載最不利吊索力的情況下所發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況。

索夾模型受力分析計(jì)算過程。（見圖8）

3.9索夾模型受力分析結(jié)果

通過運(yùn)用Solid Works Simulation程序進(jìn)行受力分析計(jì)算得出應(yīng)力、應(yīng)變、位移三份效果云圖模型分析報(bào)告。

（1）應(yīng)力分析報(bào)告云圖（圖9）：

（2）應(yīng)變分析報(bào)告云圖（圖10）：

3、位移分析報(bào)告云圖（圖11）：

注明：

1、在應(yīng)力分析報(bào)告云圖中，應(yīng)力是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內(nèi)部單位面積上內(nèi)力的大小。

從圖中可以得出：

（1）、索夾上半應(yīng)力主要集中在圓弧薄壁區(qū)中心部位及拉桿承壓臺(tái)與圓弧薄壁區(qū)相交處。

最大應(yīng)力值為：1.713×108 N/m2

（2）、索夾下半應(yīng)力主要集中在圓弧薄壁區(qū)靠近索夾端部耳板銷孔下方部位及索夾兩耳板銷孔部位。

最大應(yīng)力值為：2.588×108 N/m2

2、在應(yīng)變分析報(bào)告云圖中，應(yīng)變是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內(nèi)部單位長(zhǎng)度上位移的大小，即索夾內(nèi)部單元體長(zhǎng)度的變化及單元體夾角的變化。

從圖中可以得出：

（1）、索夾上半應(yīng)變主要集中在圓弧薄壁區(qū)中心部位及拉桿承壓臺(tái)與圓弧薄壁區(qū)相交處。

（2）、索夾下半應(yīng)變主要集中在圓弧薄壁區(qū)靠近索夾端部耳板銷孔下方部位及索夾兩耳板銷孔部位。

3、在位移分析報(bào)告云圖中，位移是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內(nèi)部單位體內(nèi)某一質(zhì)點(diǎn)沿某一方向移動(dòng)的距離，即該質(zhì)點(diǎn)始末位置之間的距離。

從圖中可以得出：

只有索夾下半兩耳板銷孔部位位移變化最大。

綜上所述應(yīng)力分析報(bào)告云圖與應(yīng)變分析報(bào)告云圖所確定的索夾受力重點(diǎn)部位是相同的，因相同材質(zhì)下應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诶碚撋鲜谴嬖谡壤P(guān)系的，即：應(yīng)力=彈性模量×應(yīng)變，而彈性模量的定義是材料發(fā)生小變形時(shí)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值，是表示物體變形的難易程度。（在運(yùn)用Solid Works Simulation程序計(jì)算受力分析時(shí)，已經(jīng)對(duì)索夾ZG20Mn的材料特性彈性模量205GPa進(jìn)行了設(shè)置。）

通過對(duì)彈性模量的定義理解，進(jìn)而驗(yàn)證了索夾應(yīng)力、應(yīng)變分析報(bào)告云圖所確定的索夾受力重點(diǎn)部位是準(zhǔn)確的。而位移所表述的單位體內(nèi)某一質(zhì)點(diǎn)沿某一方向移動(dòng)的距離，即為應(yīng)變所定義的單位體內(nèi)的某一質(zhì)點(diǎn)，通過這種相互關(guān)系去分析位移與應(yīng)變的分析報(bào)告云圖，則再次證明了索夾下半兩耳板銷孔部位為重點(diǎn)受力位置。

即該套有吊索索夾類型SJ2，索夾傾角a：21.452°，在生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制的部位為：

（1）、索夾SJ2上半圓弧薄壁區(qū)中心部位。

（2）、索夾SJ2上半拉桿承壓臺(tái)與圓弧薄壁區(qū)相交部位。

（3）、索夾SJ2下半圓弧薄壁區(qū)靠近索夾端部耳板銷孔下方部位。

（4）、索夾SJ2下半兩耳板銷孔部位。

四、鑄造模擬計(jì)算

在索夾的生產(chǎn)制造過程中，索夾的鑄造質(zhì)量是索夾制造質(zhì)量?jī)?yōu)劣的根源。通過Solid Works Simulation程序?qū)λ鲓A的受力分析，已確定出索夾的重點(diǎn)受力部位，下階段本文將闡述運(yùn)用鑄造模擬軟件AnyCasting程序，對(duì)索夾的鑄造澆鑄過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過計(jì)算澆鑄系統(tǒng)的幾何尺寸及分部位置、冷鐵的分部位置、冒口的位置確定及尺寸的設(shè)置、模具類型尺寸的設(shè)置等，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量合格的索夾鑄造毛坯件，為整個(gè)索夾制造質(zhì)量奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1設(shè)置鑄造實(shí)體

在Solid Works程序中將計(jì)算機(jī)模型索夾SJ2通過文件格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入AnyCasting程序中（鑄造澆注系統(tǒng)模型、冷鐵模型、冒口模型在Solid Works程序中建立），并在AnyCasting程序中設(shè)置鑄造實(shí)體屬性。（圖12）

注明：

鑄造澆注系統(tǒng)模型、冷鐵模型、冒口模型尺寸及位置設(shè)定是根據(jù)鑄造手冊(cè)（鑄造工藝5）中所講述的澆注系統(tǒng)引入位置的確定、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)、類型及特點(diǎn)分析，鑄鋼件澆注系統(tǒng)尺寸的確定，鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)，冷鐵設(shè)計(jì)（外冷鐵設(shè)計(jì)、內(nèi)冷鐵設(shè)計(jì)）中所要求制定的，在通過后續(xù)鑄造模擬軟件模擬分析，去驗(yàn)證該設(shè)計(jì)對(duì)索夾SJ2是否可行，如不適合，也能夠通過鑄造模擬軟件分析程序去明確找到不合理位置，在重新進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.2設(shè)置鑄造模具

在AnyCasting程序中，將鑄造砂型外觀尺寸進(jìn)行設(shè)置。（圖13）

4.3設(shè)置網(wǎng)格劃分

在AnyCasting程序中，將索夾鑄造模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置。

注明：

在設(shè)置索夾鑄造模型網(wǎng)格劃分時(shí)，正方體網(wǎng)格大小設(shè)置為19mm規(guī)格，總網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為1932420個(gè)正方體單元（根據(jù)索夾幾何尺寸計(jì)算機(jī)生成結(jié)果），是為了確保鑄造完成后的索夾毛坯件質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求UT探傷檢測(cè)二級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)（如要求UT探傷檢測(cè)一級(jí)合格則減小正方體網(wǎng)格尺寸，增加總網(wǎng)格數(shù)）。

4.4設(shè)置分析類型

在AnyCasting程序中，索夾鑄造模型澆鑄時(shí)，應(yīng)充分考慮型腔充型情況及型腔充型前后的熱凝固情況。

4.5設(shè)置模型材料

在AnyCasting程序中，對(duì)索夾模型進(jìn)行材料特性設(shè)置，所設(shè)置的材料特性與Solid Works Simulation程序所設(shè)置的參數(shù)相同。

注明：

（1）、鑄件型腔的材料：

在AnyCasting程序中的材料屬性歸屬于韓國KS標(biāo)準(zhǔn)中定義的材料屬性內(nèi)容，通過對(duì)索夾ZG20Mn材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能指標(biāo)分析，結(jié)合中外材料對(duì)照表內(nèi)容，確定韓國KS標(biāo)準(zhǔn)中的SM20C與ZG20Mn材料特性基本相符，所以在此處設(shè)置的鑄件型腔材料為SM20C。

（2）、冷鐵附屬件的材料：

在鑄造澆鑄過程中對(duì)冷鐵附屬件的材料應(yīng)考慮該材料的熔點(diǎn)要大于鑄件型腔材料的熔點(diǎn)，避免在澆鑄過程中因冷鐵附屬件熔化，而失去在澆鑄時(shí)消除鑄件型腔內(nèi)熱節(jié)點(diǎn)的作用。所以確定在此處設(shè)置的冷鐵附屬件材料為SM35C。

4.6設(shè)置鑄造澆鑄系統(tǒng)

在AnyCasting程序中，對(duì)索夾模型鑄造澆鑄系統(tǒng)的澆鑄溫度、鋼液在型腔中的上升速度、估計(jì)充型時(shí)間、澆口幾何尺寸進(jìn)行設(shè)置。（圖14）

注明：

（1）、鑄造澆鑄系統(tǒng)的澆鑄溫度設(shè)置為1570℃（圖中數(shù)據(jù)1），是根據(jù)鑄造手冊(cè)（鑄造工藝5）中要求的常見鑄鋼件澆注溫度：復(fù)雜薄壁鑄鋼件壁厚在20～40mm之間，鑄鋼件毛重≤3000KG，澆鑄溫度在1570～1590℃之間選擇的。

（2）、鋼液在型腔中的上升速度設(shè)置為19.45mm/s（圖中數(shù)據(jù)2），是根據(jù)鑄造手冊(cè)（鑄造工藝5）中要求的鋼液在型腔中的最小允許上升速度：鑄件重量≤5t，鑄件結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)單與中等之間速度為15～20mm/s中計(jì)算得出的。

計(jì)算過程：先輸入建模時(shí)設(shè)置的澆口半徑40mm（圖中數(shù)據(jù)5），采用直接澆鑄方式，初設(shè)鋼液上升速度為20mm/s計(jì)算機(jī)通過鑄造型腔幾何尺寸計(jì)算，自動(dòng)生成出估計(jì)充型時(shí)間為121.104904 Sec（圖中數(shù)據(jù)3），再用索夾鑄造模型尺寸的高度2356mm（圖中數(shù)據(jù)4）去除以充型時(shí)間（圖中數(shù)據(jù)3）得出鋼液在型腔中的上升速度為19.45mm/s該數(shù)據(jù)在鑄造手冊(cè)鋼液在型腔中的最小允許上升速度要求的范圍內(nèi)，進(jìn)而也驗(yàn)證了建模時(shí)設(shè)置的澆口半徑是合理的。

4.7索夾模型鑄造分析結(jié)果

在AnyCasting程序中，計(jì)算機(jī)對(duì)索夾鑄造模型進(jìn)行模擬分析計(jì)算結(jié)果如下：

1、鑄造凝固過程分析（圖15）：

2、鑄造缺陷位置分析（圖16）：

注明：

1、在鑄造凝固過程分析報(bào)告中，索夾重點(diǎn)部位：圓弧薄壁區(qū)靠近索夾端部耳板銷孔下方位置及兩耳板銷孔位置未出現(xiàn)最終凝固狀態(tài)，最終凝固部位都集中在冒口的中下方位置，而且該鑄造澆鑄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從下至上的順序凝固鑄造過程。

2、在鑄造缺陷位置分析報(bào)告中，索夾鑄造型腔完全凝固后，因冒口為鑄造型腔進(jìn)行了凝固過程的補(bǔ)縮，所以該索夾鑄造完成后的缺陷均分布在冒口的中上方位置。

4.8結(jié)論

綜上所述索夾模型的最終鑄造凝固位置及鑄造缺陷位置，均分布在鑄造型腔的冒口處。索夾鑄造型腔凝固過程實(shí)現(xiàn)了順序凝固的狀態(tài)。根據(jù)鑄造手冊(cè)（鑄造工藝5）的要求針對(duì)索夾SJ2所設(shè)置的澆鑄系統(tǒng)幾何尺寸及分部位置、冷鐵分部位置、冒口幾何尺寸及分布位置、模具幾何尺寸及類型是合理準(zhǔn)確的。

五、結(jié)語

關(guān)于索夾的制造過程，需要經(jīng)過鑄造階段、熱處理階段、機(jī)加工階段、涂裝階段、焊接（缺陷修補(bǔ)）等。而本文闡述的計(jì)算機(jī)建模、模型受力分析、鑄造模擬，可以為監(jiān)理工程師對(duì)部件制造過程質(zhì)量的控制實(shí)現(xiàn)以下目的：

1、計(jì)算機(jī)建模，在制造前期監(jiān)理工程師圖紙審查工作中，通過計(jì)算機(jī)模型的相互配合，可以直觀的找出部件幾何尺寸公差配合是否合理，不合理位置在哪里一目了然，同時(shí)也明確指出在機(jī)加工階段部件的具體位置要達(dá)到的精度要求。

2、模型受力分析，可以幫助監(jiān)理工程師確定出該制造部件的重點(diǎn)受力位置，通過模型受力分析程序監(jiān)理工程師可以針對(duì)該部件重點(diǎn)受力位置采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，實(shí)現(xiàn)監(jiān)理工程師對(duì)質(zhì)量控制的目的。

3、鑄造模擬，可以幫助監(jiān)理工程師審查施工單位上報(bào)的部件鑄造方案，對(duì)鑄造澆鑄系統(tǒng)的幾何尺寸及分部位置、冷鐵的幾何尺寸及分部位置、冒口的幾何尺寸及分部位置、模具的幾何尺寸及類型的設(shè)置是否合理。通過鑄造澆鑄過程模擬，明確的顯示出鑄造澆鑄完成后的鑄造型腔整個(gè)凝固過程，及鑄造缺陷的幾何尺寸及分布位置。通過鑄造模擬分析程序，解決了部件制造質(zhì)量的根源（即原材料質(zhì)量），為后續(xù)的部件產(chǎn)品質(zhì)量奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，監(jiān)理工程師通過采用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)模擬索夾鑄造與受力過程，最終實(shí)現(xiàn)為整個(gè)制造項(xiàng)目的每一組部件制定出相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制措施，進(jìn)而達(dá)到“量身訂制”的質(zhì)量控制目標(biāo)。在監(jiān)理工作要求更精確化的今天有助于幫助監(jiān)理工程師做到對(duì)質(zhì)量的精準(zhǔn)控制。

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