CN109914031B - 三维高压喷管预制体的净形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维高压喷管预制体的净形制备方法，以喷管构件扩张段为起始编织截面，按照四步法三维多向编织工艺进行编织，在编织过程中，在喷管法兰部位引入径向纱，在喷管喉部位置引入环向纱线，在喷管扩张段截面渐变位置进行至少一次的减纱操作和移纱操作，在喷管法兰截面突变位置进行一次性的加纱操作，得到变截面三维编织高压喷管预制体。本发明的高压喷管预制体的净形制备方法可以实现高压喷管的近净尺寸整体成型，有效地减少了后期机械加工造成的纤维损伤，保证了喷管力学性能的稳定性；可以大大减轻高压喷管的重量，采用高性能纤维编制喷管预制体，提高预制体的比强度、比刚度和耐疲劳性能。

Description

三维高压喷管预制体的净形制备方法

技术领域

本发明属于高压喷管三维编织方法技术领域，具体涉及三维高压喷管预制体的净形制备方法。

背景技术

喷管是航天发动机中能量转化的重要装置，它将燃烧物产生的热能转化为能够产生推力的动能，喷管的性能对发动机的推重比、强度和安全性等有很大的影响，因此设计出高效能的喷管对发动机至关重要。随着火箭推进技术的发展，发动机喷管的结构和尺寸也有了很大的变化，对喷管的性能也提出了更高的要求：如耐超高温、高压，使用过程中耐热化学腐蚀；结构重量更轻质、成本低、加工性能好、抗冲击热震性好等。目前航天发动机喷管大多采用金属材料或复合材料来制备。相对于复合材料，金属材料密度大，结构笨重，还需降温系统，比模量、比强度低，抗疲劳性能及耐腐蚀性较差等缺点。对于三维编织复合材料，层合复合材料或纱线缠绕复合材料，由于层间没有纱线连接，容易出现分层破坏，层间剪切强度低，抗冲击损伤容限低等缺点；针刺预制体增强复合材料，虽然克服了2D层合复合材料层间结合强度弱的缺点，但与三维编织复合材料相比，由于由短纤维针刺织造，它的剪切强度，断裂强度，承压能力等性能都不及三维编织复合材料，尤其对于航天用发动机高压喷管而言，它的抗剪切强力、耐压能力要求都比较高，而三维编织预制体由连续长纤维织造，其复合材料具有明显的优势，如高比强度、高比模量、良好抗冲击损伤性能，耐疲劳性能、不分层、可设计性强等优点，其纤维增强结构在空间上呈网状分布，可以近净成型地编制各种形状，不存在二次加工造成的损伤。尤其在制造喷管出口锥(喷管扩张段)方面，既能保证材料整体结构完整性，还能满足设计强度要求。

发明内容

本发明的目的是提供三维高压喷管预制体的净形制备方法，该方法可以提高喷管整体的比强度、比模量和抗疲劳性能，尤其针对高压喷管法兰部位的高抗剪切强力和喷管内壁耐高压能力。

本发明采用的技术方案是：三维高压喷管预制体的净形制备方法，以喷管构件扩张段为起始编织截面，按照四步法三维多向编织工艺进行编织，在编织过程中，在喷管法兰部位引入径向纱，在喷管喉部位置引入环向纱线，在喷管扩张段截面渐变位置进行至少一次的减纱操作和移纱操作，在喷管法兰截面突变位置进行一次性的加纱操作，得到变截面三维编织高压喷管预制体。

本发明的特点还在于，

减纱操作为：

在喷管扩张段截面渐变位置，根据截面尺寸的变化，设计相应的减纱次数、截面内的减纱单元位置以及减纱数量，截面内的减纱单元要均匀分布，且每个减纱位置处减纱数量必须是整列或整行减纱结构单元的整数倍，以运动规律重复的最小编织纱排列和数量作为减纱单元，减列减纱操作是将整列减纱结构单元分为多个交错排列的减纱单元，在截面缩减位置处，将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，悬挂至成型预制体上端，编织两个花节后，再将其在预制件的自由头端剪断；减层减纱操作是在截面厚度缩减处，直接沿最外层纱线，将整行的纱线减掉。

移纱操作为：

在喷管扩张段截面缩减时，将与减纱单元处在相同行、相邻列位置的纱线单元作为移纱单元，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止。

加纱操作为：

以喷管最大端面为基准面，从喷管扩张段开始往喷管法兰部位编织，由于喷管法兰部位的预制体厚度要比喷管其他部位大，法兰部位截面突然变大，需要一次性增加纱线来满足，沿最外层编织纱增加所需厚度对应的纱线数量。

三维高压喷管预制体的净形制备方法，具体按照以下步骤操作：

步骤1，根据高压喷管不同部位的性能要求设计喷管预制体编织结构

高压喷管法兰部位轴向设计轴向性能优异的三维五向结构，同时沿垂直于受剪切力的方向上增加第七向结构纱；喷管喉部尺寸收缩较大，设计变形性较好的三维四向结构，再加上喉部承受比普通喷管高2到3倍的高压强，设计沿环向不间断连续增加纱线；喷管扩张段截面尺寸不断变化，设计变形性较好的三维四向结构；

步骤2，根据喷管截面形状和外形尺寸，设计喷管各部位的编织工艺，包括每个部位所需要的编织纱线根数、排布形式、喷管扩张段的减纱次数、减纱位置和减纱数量、喷管喉部的环向增强方式、喷管法兰部位的加纱位置、加纱数量和法向增强方式；

步骤3，将方型编织机呈环形排列，组合成可编织圆形截面构件的组合设备，再选择喷管扩张段端面为起始编织基准面，按照喷管截面形状，排列、悬挂编织纱线，编织纱线包括主体纱和边纱，主体纱按照行和列的方式排布系挂在机器底盘上，边纱间隔排列在主体纱周围，且每行和每列的纱线根数相同；

步骤4，从喷管扩张段开始编织，采用四步法三维编织工艺进行编织，编织纱线相互交织形成最终结构；

步骤5，减纱操作

当编织到喷管扩张段的横截面改变处，进行减列减纱操作，根据该横截面尺寸的变化，确定减纱单元数量，并将其均匀排布在该减纱截面内；将减纱单元包含的编织纱线从携纱器上取下，并将自由头端悬挂到成型预制体上方；然后进行移纱操作，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，移纱单元与减纱单元相对应，处在于减纱单元相同行、相邻列位置，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止；编织两个花节后，再将减纱单元中纱线的自由头端剪掉。到下一个横截面变化处，然后重复步骤4-步骤5，依次完成喷管扩张段的编织；当编织到喷管喉部时，由于喉部尺寸较小，需要进行减层减纱操作，将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，根据需要将一层或多层纱线整体减掉，最后再将纱线推移成间隔排列的形式即可。

步骤6，环向增强操作

在编织喷管喉部时，沿环向引入纱线，以提高喷管喉部承受压强的能力。在喷管喉部位置，每编织一个花节进行一次环向增强操作，利用纱轴，沿纱线层连续不断引入环向纱线，环向纱可以层层引入，也可以间隔引入，直至喉部编织结束；

步骤7，加纱操作

当编织到喷管法兰部位时，喷管预制体厚度突然增大，先将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，一次性增加所需编织纱线的层数，最后再将纱线推移成间隔排列的形式，才可正常编织；

步骤8，径向增强操作

在编织喷管法兰部位时，沿径向引入纱线，以提高喷管法兰部位的抗剪切强力，在喷管法兰位置，每编织一个花节进行一次径向增强操作，利用纱轴，沿纱线列向依次引入径向纱线，径向纱可以每列均引入，也可以间隔列数引入，直至喷管法兰编织结束。

步骤4的四步法三维编织工艺的具体操作步骤为：

步骤4.1：相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.2：相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.3：与步骤4.1的运动方向相反，相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器；

步骤4.4：与步骤4.2的运动方向相反，相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；由此完成一个机器循环，编织一个花节；

步骤4.5：携纱器不断重复步骤4.1-步骤4.4，再配合相应的打紧操作和编织物提升运动，即可使编织纱线相互交织形成最终结构；

步骤5的减纱单元至少包括同行和同列上相邻的两根编织纱线。

本发明的有益效果是：本发明的三维高压喷管预制体的净形制备方法优点如下：

(1)可以实现高压喷管的近净尺寸整体成型，有效地减少了后期机械加工造成的纤维损伤，保证了喷管力学性能的稳定性；

(2)可以实现高压喷管耐高压、高抗剪切强力的性能要求，利用三维编织技术的结构可设计性，设计局部增强工艺技术，在喷管法兰和喉部两个受力关键部位设计加入环向、径向增强纱线，提高碳纤维三维编织高压喷管的耐压性能。

(3)可以大大减轻高压喷管的重量，采用高性能纤维编制喷管预制体，提高预制体的比强度、比刚度和耐疲劳性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的高压喷管示意图，分三部分，法兰、喉部和扩张段；

图2为方型编织机示意图，1为主体纱，2为编织纱；

图3为编织机排列示意图；

图4为减列减纱示意图，3为减纱单元，4为移纱单元；

图5为移纱后状态示意图；

图6为减层减纱示意图；

图7为环向增强操作示意图；

图8为加纱示意图；

图9为径向增强操作示意图；

图10为本发明实施例2的高压喷管示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明三维编织高压喷管预制体的净形制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1，根据高压喷管不同部位的性能要求，设计喷管预制体编织结构，高压喷管法兰部位轴向需要承受比普通喷管更高的抗剪切强力，设计轴向性能优异的三维五向结构，同时沿垂直于受剪切力的方向上增加第七向结构纱；喷管喉部尺寸收缩较大，设计变形性较好的三维四向结构，再加上喉部承受比普通喷管高2到3倍的高压强，设计沿环向不间断连续增加纱线，提高环向纤维体积分数，从而提高喉部承受高速气流冲刷产生的高压强；喷管扩张段截面尺寸不断变化，设计变形性较好的三维四向结构，便于近净成型；

步骤2，根据喷管截面形状和外形尺寸，设计喷管各部位(如图1所示)的编织工艺，包括每个部位所需要的编织纱线根数、排布形式、喷管扩张段的减纱次数、减纱位置和减纱数量、喷管喉部的环向增强方式、喷管法兰部位的加纱位置、加纱数量和法向增强方式；

步骤3，将方型编织机呈环形排列(如图3所示)，组合成可编织圆形截面构件的组合设备，再选择喷管最大端面，即扩张段端面为起始编织基准面，按照喷管截面形状，排列、悬挂编织纱线，编织纱线包括主体纱和边纱(如图2所示)，主体纱按照行和列的方式排布系挂在机器底盘上，边纱间隔排列在主体纱周围，且每行和每列的纱线根数相同；

步骤4，从喷管扩张段开始编织，采用四步法三维编织工艺进行编织，

步骤4.1：相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.2：相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.3：与步骤4.1的运动方向相反，相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器；

步骤4.4：与步骤4.2的运动方向相反，相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；由此完成一个机器循环，编织一个花节；

步骤4.5：携纱器不断重复步骤4.1-步骤4.4，再配合相应的打紧操作和编织物提升运动，即可使编织纱线相互交织形成最终结构；

步骤5，减纱操作

当编织到喷管扩张段的横截面改变处，进行减列减纱操作，根据该横截面尺寸的变化，确定减纱单元数量，并将其均匀排布在该减纱截面内；将减纱单元包含的编织纱线从携纱器上取下，并将自由头端悬挂到成型预制体上方；然后进行移纱操作，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，移纱单元与减纱单元相对应，处在于减纱单元相同行、相邻列位置，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止；(如图4，5所示)编织两个花节后，再将减纱单元中纱线的自由头端剪掉。到下一个横截面变化处(减纱位置处)，然后重复步骤4-步骤5，依次完成喷管扩张段的编织；当编织到喷管喉部时，由于喉部尺寸较小，需要进行减层减纱操作，将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，根据需要将一层或多层纱线整体减掉，最后再将纱线推移成间隔排列的形式即可(如图6所示)。

步骤6，环向增强操作

在编织喷管喉部时，沿环向引入纱线，以提高喷管喉部承受压强的能力。在喷管喉部位置，每编织一个花节进行一次环向增强操作，利用纱轴，沿纱线层连续不断引入环向纱线(如图7所示)，环向纱可以层层引入，也可以间隔引入，直至喉部编织结束；

步骤7，加纱操作

当编织到喷管法兰部位时，喷管预制体厚度突然增大(如图1所示)，需要通过一次性增加纱线来满足厚度变大的需求，先将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，一次性增加所需编织纱线的层数，最后再将纱线推移成间隔排列的形式(如图8所示)，才可正常编织；

步骤8，径向增强操作

在编织喷管法兰部位时，沿径向引入纱线，以提高喷管法兰部位的抗剪切强力，在喷管法兰位置，每编织一个花节(携纱器运动一个机器循环)，进行一次径向增强操作，利用纱轴，沿纱线列向依次引入径向纱线(如图9所示)，径向纱可以每列均引入，也可以间隔列数引入，直至喷管法兰编织结束。

如图1和图10所示，分别为两种规格的三维编织高压喷管示意图，喷管包括三部分：法兰、喉部和扩张段，编织顺序从扩张段往法兰编织。

如图2所示，为编织机示意图，编织纱线悬挂在机器底盘上，预制体成型于编织机上方。

如图3所示，为编织机排列示意图，由方机环形排列组合成圆形机，来编织喷管构件。

如图4和图5所示，为减列减纱示意图，整列的减纱结构由交错排列的减纱单元组成，将减纱单元中的纱线减掉之后，由移纱单元将减纱单元空缺位置填满，直至出现图5所示的状态为止。

如图6所示，为减层减纱示意图，减层之前，先将间隔排列的纱线推移成平齐状态，再沿最外层纱线将所需要的纱线减掉，最后将减完的纱线推移成间隔排列的状态。

如图7所示，为环向加强示意图，在编织喷管喉部时，每编织一个机器循环，由纱线轴沿纱线层引入纱线，可层层引入，也可间隔引入。

如图8所示，为加纱示意图，加纱之前，先将间隔排列的纱线推移成平齐状态，再沿最外层纱线将所需要增加的纱线悬挂在携纱器上，最后将增加后的纱线推移成间隔排列的状态。

如图9所示，为径向加强示意图，在编织喷管法兰部位时，每编织一个机器循环，由纱线轴沿径向引入纱线，可每列都引入，也可间隔引入。

下面以具体的高压三维编织喷管为例，来阐述本发明。

实施例1

如图1所示，为某一种规格的三维编织高压喷管示意图，以喷管扩张段最大端面为起始编织基准面，采用方型机环形组合的方式编织喷管预制体。喷管扩张段采用三维四向编织结构，喷管喉部采用三维四向+环向增强编织结构，喷管法兰采用三维五向+径向增强编织结构，编织纱线采用T800-6K碳纤维，纤维体积分数为50％。起始编织基准面设计384列、16行编织纱线。按照行列形式将编织纱线悬挂在编织机携纱器上，将排列好的编织纱线推移成间隔排列的形式，开始按照四步法三维编织方法进行编织。当编织到喷管扩张段截面改变处，根据纤维体积分数均匀一致的原则，设计减纱次数、减纱单元位置和减纱数量。喷管扩张段共设计减列纱次数17次，每次有64个减纱单元，且减纱单元均匀排列，每次减纱256根，减层减纱次数2次，每次减两层纱。喷管喉部编织纱线总根数1416根，每编织一个循环，进行一次环向加强。编至喷管法兰处，进行一次性加纱操作，共增加纱线数量3894根，每编织一个循环，进行一次径向加强，直至喷管编织结束。

实施例2

如图10所示，为另外一种规格的三维编织高压喷管示意图，以喷管扩张段最大端面为起始编织基准面，采用方型机环形组合的方式编织喷管预制体。喷管扩张段采用三维四向编织结构，喷管喉部采用三维四向+环向增强编织结构，喷管法兰采用三维五向+径向增强编织结构，编织纱线采用T800-6K碳纤维，纤维体积分数为50％。起始编织基准面设计432列、21行编织纱线。按照行列形式将编织纱线悬挂在编织机携纱器上，将排列好的编织纱线推移成间隔排列的形式，开始按照四步法三维编织方法进行编织。当编织到喷管扩张段截面改变处，根据纤维体积分数均匀一致的原则，设计减纱次数、减纱单元位置和减纱数量。喷管扩张段共设计减列纱次数13次，每次有99个减纱单元，且减纱单元均匀排列，每次减纱378根，该规格喷管不需要进行减层减纱。喷管喉部编织纱线总根数4200根，每编织一个循环，进行一次环向加强。编至喷管法兰处，进行一次性加纱操作，共增加纱线数量5800根，每编织一个循环，进行一次径向加强，直至喷管编织结束。

Claims (6)

1.三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，以喷管构件扩张段为起始编织截面，按照四步法三维多向编织工艺进行编织，在编织过程中，在喷管法兰部位引入径向纱，在喷管喉部位置引入环向纱线，在喷管扩张段截面渐变位置进行至少一次的减纱操作和移纱操作，在喷管法兰截面突变位置进行一次性的加纱操作，得到变截面三维编织高压喷管预制体，具体如下：

步骤1，根据高压喷管不同部位的性能要求设计喷管预制体编织结构，高压喷管法兰部位轴向设计轴向性能优异的三维五向结构，同时沿垂直于受剪切力的方向上增加第七向结构纱；喷管喉部尺寸收缩较大，设计变形性较好的三维四向结构，再加上喉部承受比普通喷管高2到3倍的高压强，设计沿环向不间断连续增加纱线；喷管扩张段截面尺寸不断变化，设计变形性较好的三维四向结构；

步骤2，根据喷管截面形状和外形尺寸，设计喷管各部位的编织工艺，包括每个部位所需要的编织纱线根数、排布形式、喷管扩张段的减纱次数、减纱位置和减纱数量、喷管喉部的环向增强方式、喷管法兰部位的加纱位置、加纱数量和法向增强方式；

步骤3，将方型编织机呈环形排列，组合成可编织圆形截面构件的组合设备，再选择喷管扩张段端面为起始编织基准面，按照喷管截面形状，排列、悬挂编织纱线，编织纱线包括主体纱和边纱，主体纱按照行和列的方式排布系挂在机器底盘上，边纱间隔排列在主体纱周围，且每行和每列的纱线根数相同；

步骤4，从喷管扩张段开始编织，采用四步法三维编织工艺进行编织，编织纱线相互交织形成最终结构；

步骤5，减纱操作

当编织到喷管扩张段的横截面改变处，进行减列减纱操作，根据该横截面尺寸的变化，确定减纱单元数量，并将其均匀排布在该减纱截面内；将减纱单元包含的编织纱线从携纱器上取下，并将自由头端悬挂到成型预制体上方；然后进行移纱操作，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，移纱单元与减纱单元相对应，处在于减纱单元相同行、相邻列位置，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止；编织两个花节后，再将减纱单元中纱线的自由头端剪掉；到下一个横截面变化处，然后重复步骤4-步骤5，依次完成喷管扩张段的编织；当编织到喷管喉部时，由于喉部尺寸较小，需要进行减层减纱操作，将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，根据需要将一层或多层纱线整体减掉，最后再将纱线推移成间隔排列的形式即可；

步骤6，环向增强操作

在编织喷管喉部时，沿环向引入纱线，以提高喷管喉部承受压强的能力；在喷管喉部位置，每编织一个花节进行一次环向增强操作，利用纱轴，沿纱线层连续不断引入环向纱线，环向纱可以层层引入，也可以间隔引入，直至喉部编织结束；

步骤7，加纱操作

当编织到喷管法兰部位时，喷管预制体厚度突然增大，先将列向间隔排列的纱线移平，再沿最外层纱线，一次性增加所需编织纱线的层数，最后再将纱线推移成间隔排列的形式，才可正常编织；

步骤8，径向增强操作

在编织喷管法兰部位时，沿径向引入纱线，以提高喷管法兰部位的抗剪切强力，在喷管法兰位置，每编织一个花节进行一次径向增强操作，利用纱轴，沿纱线列向依次引入径向纱线，径向纱可以每列均引入，也可以间隔列数引入，直至喷管法兰编织结束。

2.根据权利要求1所述的三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，所述减纱操作为：

在喷管扩张段截面渐变位置，根据截面尺寸的变化，设计相应的减纱次数、截面内的减纱单元位置以及减纱数量，截面内的减纱单元要均匀分布，且每个减纱位置处减纱数量必须是整列或整行减纱结构单元的整数倍，以运动规律重复的最小编织纱排列和数量作为减纱单元，减列减纱操作是将整列减纱结构单元分为多个交错排列的减纱单元，在截面缩减位置处，将所有的减纱单元中包含的纱线从编织机底盘悬挂点取下，悬挂至成型预制体上端，编织两个花节后，再将其在预制件的自由头端剪断；减层减纱操作是在截面厚度缩减处，直接沿最外层纱线，将整行的纱线减掉。

3.根据权利要求1所述的三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，所述移纱操作为：

在喷管扩张段截面缩减时，将与减纱单元处在相同行、相邻列位置的纱线单元作为移纱单元，将每个减纱位置处交错排列的右侧减纱单元纱线空缺由它左侧相邻的移纱单元平移填充，直至交错排列的右侧减纱单元被填满，出现左侧整列纱线空缺，右侧整列纱线被填平的状态为止。

4.根据权利要求1所述的三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，所述加纱操作为：

以喷管最大端面为基准面，从喷管扩张段开始往喷管法兰部位编织，由于喷管法兰部位的预制体厚度要比喷管其他部位大，法兰部位截面突然变大，需要一次性增加纱线来满足，沿最外层编织纱增加所需厚度对应的纱线数量。

5.根据权利要求1所述的三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，步骤4所述四步法三维编织工艺的具体操作步骤为：

步骤4.1：相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.2：相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；

步骤4.3：与步骤4.1的运动方向相反，相邻行的携纱器交替地沿向左或向右的方向移动一个携纱器；

步骤4.4：与步骤4.2的运动方向相反，相邻列的携纱器交替地沿向上或向下的方向移动一个携纱器的位置；由此完成一个机器循环，编织一个花节；

步骤4.5：携纱器不断重复步骤4.1-步骤4.4，再配合相应的打紧操作和编织物提升运动，即可使编织纱线相互交织形成最终结构。

6.根据权利要求1所述的三维高压喷管预制体的净形制备方法，其特征在于，步骤5所述减纱单元至少包括同行和同列上相邻的两根编织纱线。

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