CN110104202A - 使用铰接式芯轴的复合飞机制造工具 - Google Patents

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Abstract

本文提供用于制造飞机的复合桁条的复合材料加工工具系统和方法。一种复合材料加工工具系统包括铺设工具和铰接式桁条芯轴。铺设工具具有波状表面,该波状表面包括具有不同表面复杂度的多个部分。铰接式桁条芯轴包括两个刚性芯轴元件和缆索。第一刚性芯轴元件限定第一孔、第一桁条表面以及第一底表面。第二刚性芯轴元件邻近第一刚性芯轴元件并且限定第二孔、第二桁条表面以及第二底表面。第一刚性芯轴元件的第一长度与第一刚性芯轴元件处的表面复杂度相配,并且第二刚性芯轴元件的第二长度与第二刚性芯轴元件处的第二表面复杂度相配,使得刚性芯轴元件之间的间隙不超过预定间隙阈值。

Description

使用铰接式芯轴的复合飞机制造工具
本申请为申请日为2016年12月14日,申请号为201611153776.2,发明名称为“使用铰接式芯轴的复合飞机制造工具和方法”的申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及用于制造飞机的复合增强结构的加工工具和方法,更具体地涉及利用具有刚性芯轴元件的铰接式桁条芯轴的飞机机翼加工工具和方法。
背景技术
飞机的机身、机翼和尾翼通常包括耦合到蒙皮的桁条,蒙皮形成机身、机翼和尾翼的平滑的空气动力外表面。桁条和蒙皮配合以向飞机的这些部分提供抗弯和抗扭刚度。传统上,机身、机翼和尾翼表面以及相关的桁条由金属制成,例如铝,钢或钛。
纤维增强复合材料作为金属的替代物广泛用于各种商用和军用飞机产品中,特别是在需要相对低重量和高机械强度的应用中。该材料通常包括以层或片布置的增强纤维的网。这些层包括树脂基质,树脂基质基本上浸润增强纤维并且固化以在树脂和增强纤维之间形成紧密结合。这种复合材料可以通过例如挤制、真空袋装、高压法等各种已知的成形方法形成为结构部件。
由于飞机的各个部分的蒙皮和桁条从金属材料改为纤维增强复合材料,而出现了很多问题。在称为预固化(Pre-cure)/共结合(Co-bond)或共结合的当前制造工艺中,通过将在树脂基质中包含增强纤维的各层堆叠在一起来形成纤维增强复合蒙皮。通常,这些层中的一些层相对于彼此错位,使得堆叠符合期望的轮廓或锥形几何形状。堆叠层被加热并加压以固化聚合物树脂基质并形成预固化的蒙皮。桁条芯轴被放置在该堆叠层上,桁条板叠置在桁条芯轴上。使用加工工具施加压力和热以固化桁条预成型件,从而形成附接到预固化的蒙皮上的纤维增强复合材料桁条。不幸的是,经常沿着预固化的蒙皮和纤维增强复合材料桁条之间的界面出现缺陷。具体来说,蒙皮通常具有波状外表面,该波状外表面包括由桁条芯轴的芯轴元件之间的间隙形成的小台阶或下降部。大的间隙在复合桁条内导致压缩不足区域,例如空隙,以及过压缩区域,例如贫树脂区域。这些压缩不足区域和过压缩区域可降低预固化蒙皮和纤维增强复合桁条之间的负载传递效率,从而降低由纤维增强复合桁条提供的刚性和支撑。
然后在第二固化周期中将桁条共固化在预固化的蒙皮上。预固化由于均匀的袋装压力和相对简单的几何形状而提供良好的蒙皮质量,但是需要两次高压釜工艺和制备。需要两次变得非常昂贵和耗时,并且引入与再加热蒙皮层压板相关的风险。
另一种当前的制造方法是共固化(Co-cure),其允许在单个高压釜固化步骤中产生复杂部件。共固化的缺点是,在复杂形状上的袋装产生不均匀的压力,由于不均匀的压力而具有富树脂区域/贫树脂区域以及潜在的板变形,从而层压板质量可能受损。
第三种当前的制造方法是二次结合,其中所有的构成部件都被预固化,然后在结合模具中用粘合剂组装并固化在一起。二次结合为所有部件提供最好的层压板质量,但需要多个固化周期,需要增加制备,需要额外的加工工具,并且增加了预固化部件的装配问题的难度。
传统的芯轴包括泡沫芯轴和弹性体芯轴。泡沫芯轴在固化后难以从纤维增强复合桁条上除去,并且经常被认为是留在复合翼中的“飞离(flyaway)”加工工具。弹性体芯轴更容易从固化的复合桁条中除去,但是不提供复合桁条中明确边缘所需的刚度和硬度。此外,弹性体芯轴通常仅在弹性体材料开始裂降并且不能经受固化过程之前可用于多种用途。
因此,期望提供制造复合桁条的复合材料加工工具系统和方法,使得复合桁条在固化之后可从桁条移除,并且是耐用的,还提供硬度以在固化的复合桁条上产生明确限定的边缘。此外,本发明的其它期望的特点和特性将从以下结合附图的详细描述和所附权利要求书变得显而易见。
发明内容
本文提供用于制造飞机的复合桁条的复合材料加工工具系统和方法。根据一示例性实施例,一种复合材料加工工具系统包括铺设工具和铰接式桁条芯轴。铺设工具具有波状(contoured)表面,该波状表面包括具有第一表面复杂度的第一部分和具有第二表面复杂度的第二部分。铰接式桁条芯轴包括第一刚性芯轴元件、第二刚性芯轴元件和缆索。第一刚性芯轴元件限定第一孔、与复合桁条相符的第一桁条表面以及与波状表面的第一部分相对的第一底表面。第一刚性芯轴元件具有沿着复合桁条的纵向方向的第一长度。第二刚性芯轴元件邻近第一刚性芯轴元件并且限定第二孔、与复合桁条相符的第二桁条表面以及与波状表面的第二部分相对的第二底表面。第二刚性芯轴元件具有沿着纵向方向的第二长度。缆索延伸穿过第一孔和第二孔。第一长度与第一表面复杂度相配,并且第二长度与第二表面复杂度相配,使得第一刚性芯轴元件和第二刚性芯轴元件之间的间隙不超过预定间隙阈值。
根据另一示例性实施例,一种制造飞机的复合桁条的方法包括将蒙皮板铺设在铺设工具上,铺设工具包括波状表面,该波状表面包括具有第一表面复杂度的第一部分和具有第二表面复杂度的第二部分。该方法还包括将铰接式桁条芯轴放置在蒙皮板上。放置铰接式桁条芯轴进一步包括将第一刚性芯轴元件定位在蒙皮板上,使得第一刚性芯轴的第一底表面与第一部分相对,其中第一刚性芯轴限定第一孔和与复合桁条相符的第一桁条表面。第一刚性芯轴元件具有沿着复合桁条的纵向方向的第一长度。放置铰接式桁条芯轴进一步包括将第二刚性芯轴元件邻近第一刚性芯轴元件定位在蒙皮板上,使得第二刚性芯轴元件的第二底表面与第二部分相对,第二刚性芯轴限定第二孔和与复合桁条相符的第二桁条表面。第二刚性芯轴元件具有沿着纵向方向的第二长度。将第一刚性芯轴定位至少部分地基于第一长度和第一表面复杂度,并且将第二刚性芯轴定位至少部分地基于第二长度和第二表面复杂度,使得第一刚性芯轴元件和第二刚性芯轴元件之间的间隙不超过预定间隙阈值。该方法还包括紧固延伸穿过第一孔和第二孔的缆索。该方法还包括将桁条板铺设在铰接式桁条芯轴的顶部上并固化蒙皮板和桁条板。
附图说明
在下文中将结合附图描述本发明,其中相同的附图标记表示相同的元件,并且其中:
图1A、1B、1C和1D是根据示例性实施例的复合材料加工工具系统的视图;
图2是为了便于解释而具有夸大尺寸的图1所示的复合材料加工工具系统的截面图;
图3是图2所示的复合材料加工工具系统的刚性芯轴元件的前视图;
图4是图2所示的复合材料加工工具系统的芯轴球的前视图;以及
图5是根据示例性实施例的制造飞机的复合桁条的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是示例性的,并且不意图限制本发明或本发明的应用和用途。此外,也不意图受前述背景技术或以下详细描述中给出的任何理论的约束。
本文考虑的各种实施例涉及用于制造纤维增强复合桁条的加工工具以及用于制造这种增强复合桁条的方法。在所提供的实例中,制造工艺是共固化工艺。与现有技术不同,本文教导的示例性实施例基于在桁条的每个部分处的机翼表面复杂度来布置铰接式芯轴(articulating mandrel)的刚性芯轴元件,这解决了传统工艺的芯轴变形和压力不均匀引起板变形的缺点。每个刚性芯轴元件具有适于设置在机翼加工工具的一部分上的尺寸,机翼加工工具的该部分具有与该刚性芯轴元件的尺寸相互作用的表面复杂度。该相互作用引起相邻芯轴元件错位,导致相邻刚性芯轴元件的边缘之间的间隙。在该加工工具的具有较高表面复杂度的部分处,刚性芯轴元件的尺寸较小,使得间隙不超过间隙阈值。通过使间隙保持低于间隙阈值,可以减小台阶(stepping)和其它不期望的复合缺陷。
参考图1A-D和图2-图4,根据示例性实施例提供复合材料加工工具系统100和复合材料加工工具系统100的部件的视图。为了便于解释复合材料加工工具系统100的特征,与图1A-D相比,图2-图4具有夸大的尺寸。复合材料加工工具系统100可以用于制造飞机的复合桁条102和复合蒙皮104,如图3所示。复合桁条102和复合蒙皮104各自由纤维增强复合材料形成。如图所示,根据示例性实施例,复合桁条102包括梁主体部分106和从梁主体部分106沿相反方向延伸的两个径向部分108。复合桁条102大体上遵循复合蒙皮104的轮廓。
复合材料加工工具系统100包括铺设工具110和铰接式桁条芯轴112。铺设工具110限定具有第一部分122和第二部分124的波状表面120。第一部分122具有第一表面复杂度,第二部分124具有小于第一表面复杂度的第二表面复杂度。如本领域普通技术人员将理解的,表面复杂度是指波状表面120的斜率的变化率。表面复杂度还包括由于芯轴下面的板下降所导致的斜坡。因此,具有高表面复杂度的部分具有比具有低表面复杂度的部分更快地变化的斜率。例如,平坦表面没有表面复杂度。
铰接式桁条芯轴112包括第一刚性芯轴元件130、第二刚性芯轴元件132、第三刚性芯轴元件134、缆索136和多个芯轴球138。图1A-C示出附加的端部元件137,其提供用于通过缆索136紧固铰接式桁条芯轴112的支承表面。所提供的实例包括多个第一刚性芯轴元件130和多个第二刚性芯轴元件132。如本领域普通技术人员将理解的,刚性芯轴元件130、132、134的数目可以根据待制造的具体桁条和蒙皮的形状而变化。
刚性芯轴元件130、132、134的布置基于波状表面120的表面复杂度以及每个刚性芯轴元件130、132、134的尺寸(例如,长度和/或宽度),以确保各刚性芯轴元件130、132、134之间的间隙139不超过预定间隙阈值。该预定间隙阈值基于影响复合桁条中的台阶的复合材料工艺特征。例如,间隙阈值可以基于根据树脂性质、高压釜压力或其它复合材料工艺特征减小台阶。尽管所示的芯轴元件可以基本上相同,但是可以通过在芯轴组件处于其适当形状并且紧固缆索之后对刚性芯轴元件之间的接头进行打磨或以其他方式修整来进一步减小台阶。
刚性芯轴元件130、132、134和芯轴球138由刚性材料形成。如本文所用,术语“刚性材料”是指在高压釜工艺期间基本上保持形状以固化复合材料的材料。在所提供的实例中,刚性材料是金属材料,例如铝或殷钢。在一些实施例中,刚性材料具有大于约10GPa的杨氏模量。在一些实施例中,材料的硬度可以是杨氏模量为10×106至30×106psi的金属。与之相比,在“刚性材料”的前述定义中明确排除了在高压釜温度和压力下容易变形的柔性材料,例如弹性体材料。如本领域普通技术人员将理解的,具体的刚性材料可以基于特定的高压釜工艺中所涉及的温度和力而变化。在一些实施例中,可以使用比柔性橡胶具有更高硬度的刚性聚合物,使得如果芯轴被制成一件,则其不具有足以允许从腔中抽出的柔性。通常,该材料足够刚性以保持形状,并且足够坚韧以在取出期间重复使用而不损坏。
还可以至少部分地基于所需的膨胀特性来选择刚性材料。殷钢或碳复合芯轴相对于复合部件具有低膨胀,但是更难以移除。在一些实施例中,刚性芯轴元件130、132、134和芯轴球138具有弹性体涂层。
第一刚性芯轴元件130限定第一腔140、孔142、第一横截面周边144和第一底表面145。第一刚性芯轴元件130的每个纵向端部包括用于接收芯轴球138的第一腔140。在所提供的实例中,第一腔140由与每个芯轴球138相对的球形表面限定。该球形表面适应相邻的刚性芯轴元件130、132、134的旋转和纵向错位,使得铰接式桁条芯轴112可以与波状表面120相符。
孔142延伸穿过第一刚性芯轴元件130的在第一刚性芯轴元件130的两侧的第一腔140之间的纵向长度。孔142容纳缆索136,以便于组装铰接式桁条芯轴112。
第一横截面周边144限定复合桁条102的形状,在高压釜固化期间该形状与第一横截面周边144相符。第一横截面周边的形状可以基于具体的实施方式和期望的桁条形状而变化。在所提供的实例中,第一横截面周边144的形状基本上是梯形。
第一底表面145与波状表面120的第一部分122相对。第一刚性芯轴元件130具有沿着铰接式桁条芯轴112和复合桁条102的纵向方向的第一长度146。第一长度146至少部分地由第一表面复杂度限定。例如,沿着铰接式桁条芯轴112的长度的刚性芯轴元件130、132、134的顺序的选择与在铰接式桁条芯轴112和复合桁条102的每个部分处的波状表面120的表面复杂度协调。具有高表面复杂度的波状表面120的部分(例如,第一部分122)需要较短的长度(例如,第一长度146),以确保间隙139不超过间隙阈值。
第二刚性芯轴元件132限定第二腔150、孔152、第二横截面周边154和第二底表面155。第二刚性芯轴元件132的每个纵向端部包括第二腔150,以接收芯轴球138。在所提供的实例中,第二腔150由与每个芯轴球138相对的球形表面限定。该球形表面适应相邻的刚性芯轴元件130、132、134的旋转和纵向错位,使得铰接式桁条芯轴112可以与波状表面120相符。在所提供的实例中,第二腔150具有与第一腔140的形状基本相同的形状。
孔152延伸穿过第二刚性芯轴元件132的在第二刚性芯轴元件132的两侧的第二腔150之间的纵向长度。孔152容纳缆索136,以便于组装铰接式桁条芯轴112。
第二横截面周边154限定复合桁条102的形状,在高压釜固化期间该形状与第二横截面周边154相符。在不同的实施例中第二横截面周边154的形状可以基于具体的实施方式和期望的桁条形状而变化。在一些实施例中,第二横截面周边154的形状可以沿着第二刚性芯轴元件132的长度变化。在所提供的实例中,第二横截面周边154在形状上与第一横截面周边基本相同,大于第一横截面周边144并且在第二刚性芯轴元件132的长度上具有均匀形状。在一些实施例中,第二横截面周边154具有与第一横截面周边144的尺寸和形状类似的尺寸和形状。
第二底表面155与波状表面120的第二部分124相对。第二刚性芯轴元件132具有沿着铰接式桁条芯轴112和复合桁条102的纵向方向的第二长度156。第二长度156至少部分地由第二表面复杂度限定并且大于第一长度146。尽管第二长度156大于第一长度146,但是第二部分124处的表面复杂度小于第一部分122处的表面复杂度。因此,间隙139保持低于间隙阈值。
在所提供的实例中,第三刚性芯轴元件134在第一刚性芯轴元件130和第二刚性芯轴元件134之间平滑地过渡。第三刚性芯轴元件具有第一纵向端部160、第二纵向端部162和第三横截面周边164。第三横截面周边164在第三刚性芯轴元件134的长度上变化,并且与第一纵向端部160处的第一横截面周边144基本相同,并且与第二纵向端部162处的第二横截面周边154基本相同。
缆索136可以是能够向铰接式桁条芯轴112施加张力并且能够承受高压釜工艺的温度和压力的任何缆索。缆索136延伸穿过孔142、孔152和芯轴球138。在所提供的实例中,缆索136是钢缆。
芯轴球138每个限定枢转表面170和孔172。每个芯轴球138设置在每个相邻的刚性芯轴元件130、132、134之间,至少部分地在腔140、150内。在所提供的实例中,芯轴球138基本上被相邻的刚性芯轴元件130、132、134包在围腔140、150内。枢转表面170与腔140、150的表面相对并且具有与腔140、150的表面基本相同的形状。第一刚性芯轴元件130和第二刚性芯轴元件132可以相对于彼此枢转,同时使用芯轴球138保持彼此对准。孔172接收缆索136。
现在参考图5,根据一些实施例提供制造飞机的复合桁条的方法200。所描述的工艺步骤、程序和材料仅被认为是为了向本领域普通技术人员说明用于实施本发明的方法而设计的示例性实施例;本发明不限于这些示例性实施例。增强复合结构的制造中的各种步骤是公知的,因此,为了简洁起见,一些传统的步骤在本文中将仅简要提及或将完全省略,而不提供公知的工艺细节。
在操作202中提供具有波状表面的铺设工具。例如,可以提供铺设工具110。在操作204中提供桁条芯轴,其中桁条芯轴包括具有不同长度的第一和第二芯轴元件。例如,可以提供铰接式桁条芯轴112。操作206将蒙皮板铺设在铺设工具的顶部上。例如,复合蒙皮104的蒙皮板可以被铺设在铺设工具110的顶部上。
在操作208中,基于所述不同长度、波状表面的轮廓复杂度以及相邻芯轴元件之间的间隙公差阈值,将第一和第二芯轴元件定位在蒙皮板上。例如,可以基于第一长度146、第二长度156、第一部分122处的表面复杂度、第二部分124处的表面复杂度以及预定间隙阈值来选择沿着铰接式桁条芯轴112的长度的刚性芯轴元件130、132的顺序。具体地,该顺序被选择为使得较短的芯轴元件放置在波状表面120的较复杂的部分处,以确保间隙139不超过该预定间隙阈值。
在一些实施例中,使用具有不同横截面周边区域的芯轴元件。在这样的实施例中,具有较大横截面周边区域的芯轴元件更靠近复合桁条的端部放置,在下面描述的操作220中,桁条芯轴将通过该端部被移除。
在操作210中,用缆索紧固桁条芯轴。例如,可以利用在桁条芯轴的两个端部芯轴之间承受拉力的缆索136来紧固铰接式桁条芯轴112。在操作212中,将桁条板铺设在桁条芯轴的顶部上。例如,可以在操作212中将复合桁条102的桁条板铺设在铰接式桁条芯轴112的顶部上。
在操作214中,将蒙皮板和桁条板固化。例如,可以在叠置的板和芯轴上布置真空袋装置以施加真空。如本领域普通技术人员将理解的,施加热和压力以共固化蒙皮板和桁条板,从而形成固定到复合蒙皮104上的复合桁条102。用于向未固化的纤维增强材料施加热和压力的公知工艺和条件(例如,与真空袋装置组合的高压釜)可以用于共固化复合桁条102和复合蒙皮104。在一些实施例中,复合蒙皮104和复合桁条102可以分别地固化。
在操作216中,松开缆索。例如,可以在操作216中释放缆索136中的张力。在操作220中,从桁条移除桁条芯轴。例如,可以在操作220中从复合桁条102和复合蒙皮104之间拉出铰接式桁条芯轴112。在所提供的实例中,铰接式桁条芯轴112的金属材料具有大于复合材料的热膨胀系数的热膨胀系数。因此,当从固化温度冷却时,刚性芯轴元件130、132、134将比复合桁条102收缩得更多。通过比复合桁条102收缩得更多,刚性芯轴元件130、132、134产生有助于移除铰接式桁条芯轴112的间隙。在一些实施例中,可拉动缆索136以移除铰接式桁条芯轴112。
虽然在本发明的前述详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例,但是应当理解,存在大量的变型。还应当理解,所述一个或多个示例性实施例仅仅是实例,并且不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反,以上详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的方便的路线图。应当理解,在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下,可以对示例性实施例中描述的元件的功能和配置进行各种改变。

Claims (14)

1.一种用于制造飞机的复合桁条的复合材料加工工具系统,所述复合材料加工工具系统包括:
铺设工具,其包括波状表面,该波状表面包括具有第一表面复杂度的第一部分和具有第二表面复杂度的第二部分;以及
铰接式桁条芯轴,所述铰接式桁条芯轴包括:
第一刚性芯轴元件,其限定第一孔、与所述复合桁条相符的第一桁条表面以及与所述波状表面的第一部分相对的第一底表面,所述第一刚性芯轴元件具有沿着所述复合桁条的纵向方向的第一长度;
第二刚性芯轴元件,其邻近所述第一刚性芯轴元件并且限定第二孔、与所述复合桁条相符的第二桁条表面以及与所述波状表面的第二部分相对的第二底表面,所述第二刚性芯轴元件具有沿着所述纵向方向的第二长度;以及
缆索,其延伸穿过所述第一孔和所述第二孔,
其中所述第一长度与所述第一表面复杂度相配,并且所述第二长度与所述第二表面复杂度相配,使得所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件之间的间隙不超过预定间隙阈值。
2.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一长度至少部分地由所述第一表面复杂度限定,并且所述第二长度至少部分地由所述第二表面复杂度限定。
3.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述铰接式桁条芯轴还包括设置在所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件之间的芯轴球,所述芯轴球限定枢转表面,所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件可以在该枢转表面上相对于彼此枢转。
4.根据权利要求3所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一刚性芯轴元件限定第一腔,所述芯轴球部分地设置在所述第一腔中,所述第二刚性芯轴元件限定第二腔,所述芯轴球部分地设置在所述第二腔中。
5.根据权利要求4所述的复合材料加工工具系统,其中所述芯轴球基本上被所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件包围。
6.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述预定间隙阈值基于影响所述复合桁条中的台阶的复合材料工艺特征。
7.根据权利要求6所述的复合材料加工工具系统,其中所述复合材料工艺特征包括树脂性质和高压釜压力中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一刚性芯轴元件的第一横截面周边和所述第二刚性芯轴元件的第二横截面周边基本上相同,并且沿着所述纵向方向基本均匀。
9.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一刚性芯轴元件的第一横截面周边短于所述第二刚性芯轴元件的第二横截面周边,其中所述第一横截面周边和所述第二横截面周边每个都沿着所述纵向方向基本均匀。
10.根据权利要求9所述的复合材料加工工具系统,其中所述铰接式桁条芯轴还包括具有第一纵向端部、第二纵向端部和第三横截面周边的第三刚性芯轴元件,所述第三横截面周边与所述第一纵向端部处的所述第一横截面周边基本相同,并且与所述第二纵向端部处的所述第二横截面周边基本相同。
11.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件由金属材料形成。
12.根据权利要求11所述的复合材料加工工具系统,其中所述金属材料是殷钢和铝中的一种。
13.根据权利要求11所述的复合材料加工工具系统,其中所述第一刚性芯轴元件和所述第二刚性芯轴元件每个都包括施加到所述金属材料上的保护涂层。
14.根据权利要求1所述的复合材料加工工具系统,其中所述铰接式桁条芯轴包括多个所述第一刚性芯轴元件和多个所述第二刚性芯轴元件,其中所述第一表面复杂度大于所述第二表面复杂度,并且其中所述第一长度小于所述第二长度。
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