CN100457994C - 复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法，其原理是利用三维编织纱锭(动纱和不动纱)运动的特点，将编织纱不断减少或者减细，从而实现编织物横截面积的减小。采用本发明技术方案可实现对横截面积逐渐变化的三维编织预制件的编织。该预制件经过复合后，能够满足先进复合材料对预制件(织物)内、外部质量的高要求。

Description

复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法

技术领域

本发明涉及异型复合材料预制件的制作方法，特别是涉及横截面逐渐变化的复合材料预制件的制作方法，具体说是一种复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法

技术背景

战略导弹携带核弹头，用于攻击敌方的战略目标，是武器系统终极毁伤目标的专用装置，工作条件极其严酷，其弹头不仅要轻质、抗分层，而且需具有防热/抗核/结构等多功能要求，对其所用材料十分苛刻。初期，国内一直使用金属合金材料。为提高弹头的综合性能，与其配套的材料需满足更新的要求，宏观上，要求材料直径大、高度高、变截面，细观上，要求材料密度低且均匀、无缺陷，能够耐热、抗烧蚀。先进复合材料从上世纪60年代问世以来，已经有广泛的应用，由于我国高性能碳纤维等纤维材料与国外先进水平相比尚有较大的差距，纤维性能的不足，需要好的结构来弥补，因此研制结构性能优良的增强体就显得更为迫切。三维多向编织增强体是近年来发展起来的一种新型复合材料的增强形式，它从根本上克服了传统层合板的分层问题，具有整体性能好、力学结构合理、高的损伤容限和显著的抵抗裂纹扩展的能力，为复合材料应用于主承力构件提供了广阔的前景。为得到横截面逐渐变化的三维编织预制件，实现其形状、尺寸的仿形，需要实施减纱编织技术，申请人目前还未见到这样的技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，为人们提供横截面逐渐变化的三维多向编织预制件的形状、尺寸仿形的四种编织技术。采用该方法将高性能纤维(主要是碳纤维、陶瓷纤维、石英纤维、特种玻璃纤维)制作预制件，经过复合后，可以满足部件对细密性、均匀性的高要求。

本发明采用的三维多向四步法编织的减纱编织技术，概括起来主要分为四大类：(1)减层减纱编织技术，根据预制件横截面尺寸的不断减小，计算出每截面所需的环向纱锭的环数，对应于编织机器上，参加编织的纱锭数量应不断减少，多余的纱锭从处于圆形编织机器的内环或外环上取下，不再参与以后的编织，从而满足编织物横截面尺寸减小的要求，因三维编织的特点，环向纱锭的取下去除必须整环减除，见图2-1；(2)减列减纱编织技术，类似于减环减纱编织技术，在对应的编织物横截面尺寸减小的截面处，从圆形编织机器上，不断沿径向取下编织纱锭的减纱编织技术为减列减纱编织技术。根据三维编织工艺的特定要求，径向纱锭的减除需成对(两列)操作，见图2-2；(3)逐渐减细减纱编织技术，参加编织的每一纱锭的纱束都由更小单位的纱线合束组成，编织机上的纱锭按运动规律到达环向最外环时，适当去除纱束中的若干束，减细了纱束的纱锭继续参加编织。当已减细的纱锭离开最外环后，又有新的未减细的纱锭处于机器环向的最外环位置上，可继续进行纱束减细。如此反复，经一定机器循环后，编织纱束都减细了，亦即通过处于外环上纱锭纱束的减细，使得参加编织的纱线直径减小了，只要通过有效的计算和控制减细的频率，编织后的效果可以实现横截面直径与厚度的变化，该减纱编织方法可保证预制件的单元体结构完整；(4)以上任意两种或三种减纱编织技术的组合。

本发明的具体技术方案如下：

第一步，按照预制件尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模大端朝上，小端朝下，竖直固定在编织机组(编织机组由若干单元编织方机组合而成)中心一定高度处。

第二步，根据预制件的设计要求，从三维四向、三维五向、三维多向(五向以上)等结构中选取预制件的编织结构，并根据预制件尺寸、纤维体积含量、周向、母向花节等要求计算出最大端编织纱线层列数，确定减纱编织方法，以及与减纱相关的参数(如减纱频次、减纱数量等)。

纱线列数＝预制件截面周长×周向花节×2；

纤维体积含量一般采用单元体来表示：

每单元体纤维体积含量＝每单元体纤维体积/每单元体体积；

＝(每单元体纱线长度×纱线截面积)/每单元体体积；

每单元体纱线长度＝每单元体动纱长度+每单元体不动纱长度；

每单元体体积＝长×宽×高；

长＝1/预制件周向花节；

高＝1/预制件母向花节；

宽＝2×(预制件厚度/预制件纱线层数)；

将宽度代入纤维体积含量计算公式，解方程可以计算出预制件纱线层数。

按照上面的公式计算出预制件大小端的纱线层列数，并根据减纱量的多少以及用户

对预制件的性能要求确定减纱编织方法，如果减纱量较少，可以选用减层减纱编织方法，根据大小端层数，计算出减纱频次、减纱数量；如果预制件编织纱线由较小单位的纱线合束组成，减纱量也不是很多，可以采用逐渐减细减纱编织方法，根据预制件大小端最小单位纱线股数差异计算出减纱频次、减纱数量；如果预制件减纱量很多，可以采用减列减纱编织方法，或者将多种方法组合，根据预制件大小端纱线差异，计算出减纱频次、减纱数量，前述预制件大小端纱线差异包括预制件大小端层数差异、预制件大小端最小单位纱线股数差异和预制件大小端列数差异；

第三步，将编织纱线均匀分布在编织芯模上方的挂纱环上，每根纱线的下端通过张力线固定在三维编织机上的储纱器上，纱线固定位置与储纱器位置形成一一对应关系。

第四步，织物编织

三维多向编织纱线由储纱器携带，储纱器分动纱储纱器和不动纱储纱器两种，以行列结构形式在三维编织机的机器底盘上排布。在一个减纱机器循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减纱。进行若干个减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

5)相邻排中的动纱储纱器交替移动一个位置；

6)相邻排中的动纱储纱器交替移动一个位置；

7)动纱储纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置；

8)动纱储纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置；

9)按照计算的减纱频率，重复以上四步机器循环若干次后，实施减纱。

经过一定的减纱循环后，可以得到所要求形状和尺寸的预制件。

本发明的原理是利用三维编织纱锭(动纱和不动纱)运动的特点，将编织纱不断减少或者减细，从而实现编织物横截面积的减小。采用本发明技术方案可实现对横截面积逐渐变化的三维编织预制件的编织。该预制件经过复合后，能够满足先进复合材料对预制件(织物)内、外部质量的高要求。

附图说明

图1为常见的几种横截面逐渐变化的预制件的形状结构示意图。

图2为常见的几种减纱编织方法(2-1、减层减纱，2-2、减列减纱编织技术)。

图3为常见的几种三维多向结构单元体模型(3-1、三维四向结构单元体模型，3-2、三维五向结构单元体模型，3-3、三维七向结构单元体模型，图中A为不动纱，B为动纱，X向为周向，Y为母向，Z为径向)。

图4为方机拼圆机编织机组俯视图。其中，1为单元方机、2为芯模

图5为预制件编织剖面示意图。其中，3为挂纱环、2为芯模、4为编织纱线、5为纱绽。

图6为三维多向四步法编织过程的动纱储纱器运动示意图(a.原始动纱储纱器排列b.第一步  c.第二步  d.第三步  e.第四步)；

具体实施方式

下面结合附图通过实施例来描述本发明的细节。

实施例1：

如图1-1所示，这是具有等厚的三维多向编织预制件沿轴向剖切的3D织物剖示图，预制件厚度为18mm，该预制件采用3K碳纤维，编织动纱采用3股，不动纱均采用2股，预制件周向花节均为25个/10厘米，预制件母向花节均为14.3个/10厘米，预制件大端内径为300毫米，预制件高度为700毫米，预制件半锥角为8°，纤维体积含量要求(50±3)％之间，编织结构全部采取三维五向编织结构，减纱方法为减列减纱。

编织方法如下：

第一步，按照预制件(图1-1)尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模固定于编织机台，大端朝上；

第二步：按照要求，选取三维五向编织结构，计算预制件大端编织纱线层、列数，以及减纱次数和减纱数量，并对减纱：

大端动纱列数＝大端周长×预制件大端周向花节×2＝471.24列，校正为472列；

大端不动纱列数＝动纱列数＝472列

纤维体积含量＝每单元体纱线体积/每单元体体积

            ＝(每单元体纱线总长度×纱线截面积)/每单元体体积

设大端编织纱线层数为X，取纤维体积含量为51％，将X代入纤维体积含量计算公式得：

大端动纱层数＝30层

大端不动纱层数＝大端动纱层数-2＝28层

根据纤维体积含量、纱线层数以及预制件半锥角，计算小端动纱、不动纱列数

小端动纱列数＝小端周长×织物周向花节×2

            ＝165.1列，校正为166列；

小端不动纱列数＝动纱列数＝166列

动纱减纱列数＝大端动纱列数-小端动纱总列数＝306列

不动纱减纱列数＝大端不动纱列数-小端不动纱总列数＝306列

预制件纱线总编织循环＝母线总长度×母向花节

                    ＝100.98次，修正为101次

每次减纱动纱数量＝动纱减纱列数/减纱次数＝3.02，修正为3列

每次减纱不动纱数量＝不动纱减纱列数/减纱次数＝3.02，修正为3列

设计减纱规律，为减少贯穿性孔洞，且保持所有单元体结构完整，每列纱线均应分两次减完，且每次减纱须成对减去，所以，操作时，每次选3个减纱点，减6个0.5列动纱和6个0.5列不动纱。

第三步：将大端经纱均匀挂入挂纱环，挂纱环位于编织芯模上方，每根纱线的下端均与三维五向编织机上对应的储纱器相连。

第四步：预制件编织

三维编织编预制件纱线由储纱器携带，以行列结构形式在三维编织机的机器底盘上运动，详见图6(a)。在一个减纱循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减列减纱。进行若干个减列减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

1.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

2.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

3.携纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置。

4.携纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置。

5.按照计算的减纱数量，均匀的选取3个减纱点，将6个0.5列动纱和6个0.5列不动纱减去。

经过101次减列减纱循环后，可以得到所要求形状和尺寸的预制件。

实施例2：

如图1-2所示，这是具有等厚的三维多向编织预制件沿轴向剖切的3D预制件剖示图，预制件厚度为18mm，该预制件采用3K碳纤维，编织动纱采用3股，不动纱均采用2股，大端周向花节为25个/10厘米，大端母向花节为14.3个/10厘米，大端内径为300毫米，高度为700毫米，预制件半锥角为3°，纤维体积含量要求(50±3)％之间，编织结构全部采用三维五向编织结构，减纱方法为减层减纱。

编织方法如下：

第一步，按照预制件(图1-2)尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模固定于编织机台，大端朝上；

第二步：按照要求，选取三维五向编织结构，计算预制件大端编织纱线层、列数，以及减纱次数和减纱数量，并对减纱：

大端动纱列数＝大端周长×预制件大端周向花节×2

            ＝471.24列，校正为472列；

大端不动纱列数＝动纱列数＝472列

纤维体积含量＝每单元体中纱线的体积/每单元体体积

            ＝(每单元体中纱线的总长度×纱线截面积)/每单元体体积

设大端编织纱线层数为X，取纤维体积含量为51％，将X代入纤维体积含量计算公式得：

大端动纱层数＝30层

大端不动纱层数＝大端动纱层数-2＝28层

根据纤维体积含量、纱线列数以及预制件半锥角，设小端动纱层数为Y，将Y代入纤维体积含量计算公式得：

小端动纱总层数＝23层

小端不动纱层数＝小端动纱层数-2＝21层

动纱减纱总层数＝大端动纱总层数数-小端动纱总层数＝7层

不动纱减纱总层数＝大端不动纱总层数数-小端不动纱总层数＝7层

预制件动纱总编织循环＝母线总长度×母向花节

                    ＝100.98次，修正为101次

设计规律，将需要减去的7层动纱和不动纱均匀的插入编织总循环数101次，具体为4个14次减1层动纱和1层不动纱、3个15次减1层动纱和1层不动纱交替排列。

第三步：将编织纱线按列均匀挂入挂纱环中，挂纱环位于编织芯模上方，每根纱线的下端均与三维五向编织机上对应的储纱器相连。

第四步：预制件编织

三维编织编织纱线由携纱器携带，以行列结构形式在三维编织机机器底盘上运动，详见图6(a)。在一个减纱机器循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减层减纱。进行若干个减层减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

1.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

2.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

3.携纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置。

4.携纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置。

5.按照计算的减纱频率，重复若干次上面的四步运动后，将最外层纱线减去。

经过7个减层减纱循环后，可以得到所要求形状和尺寸的预制件。

实施例3：

如图1-3所示，这是具有等厚的三维多向编织预制件沿轴向剖切的3D织物剖示图，预制件厚度为23mm，该预制件采用3K碳纤维，编织动纱采用3股，不动纱均采用2股，预制件大端周向花节为25个/10厘米，大端母向花节为14.3个/10厘米，大端内径为300毫米，高度为500毫米，半锥角为6°，纤维体积含量要求(50±3)％之间，编织结构全部采用三维五向编织结构，减纱方法为逐渐减细减纱。编织方法如下：

第一步，按照预制件(图1-3)尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模固定于编织机台，大端朝上；

第二步：按照要求，选取三维五向编织结构，计算预制件大端编织纱线层、列数，以及减纱次数和减纱数量，并对减纱：

大端动纱列数＝(大端周长/预制件大端周向花节)×2

            ＝471.24列，校正为472列；

大端不动纱列数＝动纱列数＝472列

纤维体积含量＝每单元体纱线的体积/每单元体体积

            ＝(每单元体纱线的总长度*纱线截面积)/每单元体体积

设大端编织纱线层数为X，取纤维体积含量为50.5％，将X代入纤维体积含量计算公式得：

大端动纱层数＝38(层)

大端不动纱层数＝大端动纱层数-1＝37层

根据纤维体积含量以及小端尺寸，计算小端动纱总股数

小端动纱总股数＝小端纱线总股数-小端不动纱总股数＝28320(股)

减纱总股数＝大端动纱总股数-小端动纱总股数＝25488(股)

由于纱线股数减去较多，故每次减纱量取最外层每根动纱的一股，每次减纱股数＝1×472＝472(股)

总的减纱次数＝减纱总股数/每次减纱股数＝54次

预制件动纱总编织循环＝母线总长度/单位母向花节长度＝71.03次，修正为71次

设计规律，将减纱次数54次均匀的插入编织总循环数71次，具体为14个减4次停1次减细循环和3个减5次停1次交替排列。

第三步：将编织纱线按列均匀挂入挂纱环中，挂纱环位于编织芯模上方，每根纱线的下端均与三维五向编织机上对应的储纱器相连。

第四步：预制件编织

三维编织编织纱线由携纱器携带，以行列的结构形式在三维编织机的机器底盘上运动，详见图6(a)。在一个减纱机器循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减细减纱。进行若干个减细减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

1.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

2.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

3.携纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置。

4.携纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置。

5.按照计算的减纱频率，重复若干次上面的四步运动后，将最外层纱线减细。

经过54次减细减纱循环后，可以得到所要形状和尺寸的预制件。

实施例4：

如图1-3所示，这是具有等厚的三维多向编织预制件沿轴向剖切的3D织物剖示图，预制件厚度为14mm，该预制件采用3K碳纤维，编织动纱采用3股，不动纱均采用2股，预制件大端周向花节为25个/10厘米，大端母向花节为14.3个/10厘米，大端内径为300毫米，高度为313毫米，半锥角为24.2°，纤维体积含量要求(50±3)％之间，编织结构全部采用三维五向编织结构，减纱编织方法为逐渐减细减纱与减层减纱相结合。编织方法如下：

第一步，按照预制件(图1-3)尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模固定于编织机台，大端朝上；

第二步：按照要求，选取三维五向编织结构，计算预制件大端编织纱线层、列数，以及减纱次数和减纱数量，并对减纱：

大端动纱列数＝(大端周长/预制件大端周向花节)×2

            ＝471.24列，校正为472列；

大端不动纱列数＝动纱列数＝472列

纤维体积含量＝每单元体纱线的体积/每单元体体积

            ＝(每单元体纱线的总长度*纱线截面积)/每单元体体积

设大端编织纱线层数为X，取纤维体积含量为51.6％，将X代入纤维体积含量计算公式得：

大端动纱层数＝23(层)

大端不动纱层数＝大端动纱层数-1＝22层

根据纤维体积含量以及小端尺寸，计算小端动纱总股数

小端动纱总股数＝小端纱线总股数-小端不动纱总股数＝10384(股)

减纱总股数＝大端动纱总股数-小端动纱总股数＝22184(股)

预制件动纱总编织循环＝母线总长度/单位母向花节长度＝49.02次，修正为49次

减细时每次减纱量取最外层每根动纱的一股，每次减纱股数＝1×472＝472(股)

设计规律，先进行44个机器循环，每个机器循环减细1次，然后运动五个机器循环，在最外层减1层动纱和1层不动纱。

第三步：将编织纱线按列均匀挂入挂纱环中，挂纱环位于编织芯模上方，每根纱线的下端均与三维五向编织机上对应的储纱器相连。

第四步：预制件编织

三维编织编织纱线由携纱器携带，以行列的结构形式在三维编织机的机器底盘上运动，详见图6(a)。在一个减纱机器循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减纱。进行若干个减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

1.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

2.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

3.携纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置。

4.携纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置。

5.按照计算的减纱频率，重复若干次上面的四步运动后，将最外层纱线减细或最外层减去。

经过45次减纱循环后，可以得到所要形状和尺寸的预制件。

实施例5：

如图1-1所示，这是具有等厚的三维多向编织预制件沿轴向剖切的3D织物剖示图，预制件厚度为18mm，该预制件采用3K碳纤维，编织动纱采用3股，预制件周向花节均为25个/10厘米，预制件母向花节均为14.3个/10厘米，预制件大端内径为300毫米，预制件高度为700毫米，预制件半锥角为8°，纤维体积含量要求(50±3)％之间，编织结构全部采取三维四向编织结构，减纱编织方法为减列减纱编织方法。

编织方法如下：

第一步，按照预制件(图1-1)尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模固定于编织机台，大端朝上；

第二步：按照要求，选取三维四向编织结构，计算预制件大端编织纱线层、列数，以及减纱次数和减纱数量，并对减纱：

大端动纱列数＝大端周长×预制件大端周向花节×2

            ＝471.24列，校正为472列；

纤维体积含量＝每单元体纱线体积/每单元体体积

            ＝(每单元体纱线总长度×纱线截面积)/每单元体体积

设大端编织纱线层数为X，取纤维体积含量为51％，将X代入纤维体积含量计算公式得：

大端动纱层数＝47层

根据纤维体积含量、纱线层数以及预制件半锥角，计算小端动纱总股数

小端动纱列数＝小端周长×织物周向花节×2＝165.1列，校正为166列；

动纱减纱列数＝大端动纱列数-小端动纱总列数＝306列；

预制件纱线总编织循环＝母线总长度×母向花节＝100.98次，修正为101次

每次减纱动纱数量＝动纱减纱列数/减纱次数＝3.02，修正为3列

每次减纱不动纱数量＝不动纱减纱列数/减纱次数＝3.02，修正为3列

设计减纱规律，为减少贯穿性孔洞，且保持所有单元体结构完整，每列纱线均应分两次减完，且每次减纱须成对减去，所以，操作时，每次选3个减纱点，减6个0.5列动纱和6个0.5列不动纱。

第三步：将大端经纱均匀挂入挂纱环，挂纱环位于编织芯模上方，每根纱线的下端均与三维五向编织机上对应的储纱器相连。

第四步：预制件编织

三维编织编预制件纱线由储纱器携带，以行列结构形式在三维编织机的机器底盘上运动，详见图6(a)。在一个减纱机器循环中，动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减纱。进行若干个减列减纱循环后，便得到预制件。具体详述如下：

1.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

2.相邻排中的携纱器交替移动一个位置。

3.携纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置。

4.携纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置。

5.按照计算的减纱数量，均匀的选取3个减纱点，将6个0.5列动纱和6个0.5列不动纱减去。

经过101次减列减纱循环后，可以得到所要求形状和尺寸的预制件。

Claims (2)

1、一种复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，按照预制件尺寸要求加工编织芯模，并将编织芯模大端朝上，小端朝下，竖直固定在编织机组中心一定高度处；

第二步，根据预制件的设计要求，从三维四向、三维五向、三维五向以上的结构中选取预制件的编织结构，并根据预制件尺寸、纤维体积含量、周向花节、母向花节要求计算出最大端编织纱线层列数，确定减纱方法，以及与减纱相关的参数；

前述减纱编织方法包括减层减纱、减列减纱、逐渐减细减纱以及前述任意两种或三种的组合，具体减纱编织方法按下述步骤确定：

首先计算出预制件大小端的纱线层列数，再根据减纱量的多少以及用户对预制件的性能要求确定减纱编织方法，如果减纱量较少，可以选用减层减纱编织方法；如果预制件编织纱线由较小单位的纱线合束组成，减纱量也不是很多，可以采用逐渐减细减纱编织方法；如果预制件减纱量很多，可以采用减列减纱编织方法，或者将多种方法组合；

前述与减纱相关的参数主要是减纱频次、减纱数量，此两参数可根据预制件大小端层数差异、预制件大小端最小单位纱线股数差异或预制件大小端纱线差异进行计算，所述预制件大小端纱线差异包括预制件大小端层数差异、预制件大小端最小单位纱线股数差异和预制件大小端列数差异；

第三步，将编织纱线均匀分布在编织芯模上方的挂纱环上，每根纱线的下端通过张力线固定在三维编织机上的储纱器上，纱线固定位置与储纱器位置形成一一对应关系；

第四步，织物编织

三维多向编织纱线由储纱器携带，储纱器分动纱储纱器和不动纱储纱器两种，以行列结构形式在三维编织机的机器底盘上排布；在一个减纱机器循环中，动纱储纱器按下述规律运动：

1)邻排中的动纱储纱器交替移动一个位置；

2)邻排中的动纱储纱器交替移动一个位置；

3)动纱储纱器运动方向与第一步的相反，交替移动一个位置；

4)动纱储纱器运动方向与第二步的相反，交替移动一个位置；

动纱储纱器运动若干个机器循环后，实施减纱；进行若干个减纱循环后，便得到预制件。

2、如权利要求1所述的复合材料用三维多向编织物净尺寸仿形减纱编织方法，其特征在于所述编织机组由若干单元编织方机组合而成。

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