CN112793808A - 一种抗冲击三维仿生双相杆结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗冲击三维仿生双相杆结构，包括杆状的硬质结构体，所述硬质结构体上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体，同一列中的各软质连接体沿轴向均匀布置；所述硬质结构体上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体，同一组牺牲体包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体沿圆周方向错开，各牺牲体位于轴向相邻的两个软质连接体之间；所述牺牲体用于模拟骨骼中的牺牲键结构，具有可控断裂特性，在外载荷作用下将发生断裂失效，具有断裂前和断裂后两种相态。本发明能够显著提升结构对冲击载荷的耗散能力，从而提高整体结构的韧性和抗冲击能力，可为新型高性能航天器承力构件的解决提供新的技术方案。

Description

一种抗冲击三维仿生双相杆结构

技术领域

本发明属于仿生结构设计技术领域，具体涉及一种抗冲击三维仿生双相杆结构。

背景技术

当前航天器的工作环境以及任务要求逐渐复杂化，因而对发展具有强度高、韧性强、刚度特性适配、抗冲击能力强等优异力学性能的承力结构提出了强烈需求。例如在大推力运载火箭发射过程中，产生的剧烈振动冲击高达几个g甚至十几个g(g表示地面重力加速度)，为保证有效载荷不会受到冲击损伤，对星箭适配器等连接机构的减振、抗冲击特性提出了极高要求；在执行交会对接及抓捕任务过程中，航天器上相应的抓捕和锁定机构将对结构强度和冲击耐受性提出极高的性能需求；在大挠性航天器姿态机动过程中，大尺度太阳能帆板、天线等挠性机构将对连接结构的强度、断裂韧性产生极高的性能需求；薄膜相机、太阳帆等薄膜型航天结构在工作中为实现型面保持，将对其支撑结构的比强度、比刚度特性提出极高的性能需求。由此可见，发展具有良好抗冲击性能的航天承力结构或构件对于航天任务的实现十分重要。现有的航天承力杆件结构还不能很好地适应和满足日益苛刻的航天应用需求。

近年来，直接模仿生物材料特性或受生物体独特结构启发而研制的仿生结构给高性能航天承力结构的设计带来了灵感与良好的借鉴思路。自然界中的生物材料和生物结构，经历亿万年的演化与筛选，在强度、刚度和韧性方面具有独特且优异的力学性能。例如，山羊在岩石间攀爬、跳跃的过程中，四肢能够承受剧烈的动态载荷，这说明其腿部骨骼在奔跑运动过程中发挥了良好的缓冲、隔振和抵抗外部冲击的作用。因此，可以通过研究动物骨骼的内部微观结构，探索并发展一种与骨骼一样具有高强度、大韧性、强承载能力、良好等突出力学特性的仿生复合材料结构，来有效解决航天工程实际中经常遇到的振动冲击问题。

专利文献CN 111027212A公开了一种二维的仿生交错层叠薄板结构，包括多个平行布置的硬质体和软基体、以及多个可断裂体，受骨骼等生物材料中广泛存在牺牲键结构的启发，提出一种预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构，通过可断裂体的断裂过程产生额外的能量耗散，实现结构整体的韧性增强。然而，该仿生交错层叠薄板结构为一类二维平面结构，不适用于航天器承力杆件的制作。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种抗冲击三维仿生双相杆结构，旨在解决现有航天承力杆件结构不能很好地适应和满足日益苛刻的航天应用需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种抗冲击三维仿生双相杆结构，包括杆状的硬质结构体；所述硬质结构体上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体，同一列中的各软质连接体沿轴向均匀布置；所述硬质结构体上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体，同一组牺牲体包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体沿圆周方向错开，各牺牲体位于轴向相邻的两个软质连接体之间；

所述硬质结构体和所述软质连接体均为由各向同性材料构成的构造体，所述硬质结构体的弹性模量和拉升强度大于所述软质连接体的弹性模量和拉升强度；所述硬质结构体起承受正应力作用，所述软质连接体具有传递切应力的功能；

所述牺牲体为用于模拟骨骼中牺牲键结构的构造体，起传递轴向正应力载荷的作用；所述牺牲体具有可控断裂特性，能够在外载荷作用下发生断裂失效。

进一步的，所述硬质结构体包括多个硬质结构体完整单元和多个硬质结构体二分之一单元；所述硬质结构体完整单元为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构；所述硬质结构体二分之一单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面相同，长度等于所述硬质结构体完整单元的长度的一半。

进一步的，所述硬质结构体二分之一单元的数量等于所述硬质结构体完整单元的数量的一半。

进一步的，所述软质连接体包括多个软质连接体单元；所述软质连接体单元为扇面角度为5°～20°的空心扇形体结构，且扇面半径、空心半径分别与所述硬质结构体完整单元的扇面半径、空心半径相同。

进一步的，所述软质连接体是由4列软质连接体单元线性阵列组合体绕中心轴线以90°间隔进行圆周阵列得到，所述软质连接体单元线性阵列组合体是由5个所述软质连接体单元进行等间距线性阵列得到。

进一步的，所述牺牲体包括多个牺牲体单元；所述牺牲体单元也为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构，所述牺牲体单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面完全相同；所述牺牲体单元的数量与所述硬质结构体完整单元的数量相等。

进一步的，所述牺牲体单元为各向同性的脆性断裂材料单元，具有两种相态，分别为断裂前相态和断裂后相态。

进一步的，所述仿生双相杆结构还包括安装台，所述安装台位于所述硬质结构体的两端。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果主要体现在：本发明所述三维仿生双相杆结构能够显著提升结构对冲击载荷的耗散能力，从而提高整体结构的韧性和抗冲击能力，为新型高性能航天器承力构件的解决提供了新的技术选择与方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明所述抗冲击三维仿生双相杆结构模型示意图；

图2是图1在两个方向的视图，其中，图2(a)为左视图，图2(b)为前视图；

图3是图1中全部软质连接体的结构示意图；

图4是图1中全部牺牲体的结构示意图；

图5是图1中硬质结构体及其两端安装台的结构示意图；

图6是硬质结构体及其单个完整单元的结构示意图，其中，图6(a)为整体硬质结构体，图6(b)为单个硬质结构体完整单元；

图7是单个硬质结构体完整单元的两个视图，其中，图7(a)为左视图，图7(b)为前视图；

图8是软质连接体及其单个完整单元的结构示意图，其中，图8(a)为整个软质连接体，图8(b)为单个软质连接体完整单元；

图9是牺牲体及其单个完整单元的结构示意图，其中，图9(a)为整个牺牲体，图9(b)为单个牺牲体完整单元；

图10为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷未发生相变时的粘性耗能时变特性变化规律；

图11为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷未发生相变时的粘性耗能速率时变特性变化规律；

图12为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷发生相变时的粘性耗能时变特性变化规律；

图13为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷发生相变时的粘性耗能速率时变特性变化规律；

图14为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷发生相变时的断裂耗能时变特性变化规律；

图15为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷发生相变时的断裂耗能速率时变特性变化规律。

本发明的附图标号或符号说明：

1——硬质结构体；2——软质连接体；3——牺牲体；4——安装台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步提供航天承力结构的抗冲击动力学特性，本发明受同心圆环状的动物骨骼单元特征结构启发，提出一种抗冲击三维仿生双相杆结构。

一、结构组成

如图1和图2所示，本发明所述三维仿生双相杆结构由硬质结构体1、软质连接体2和牺牲体3三种基本构造体有机组合而成。图3单独画出了图1中全部软质连接体的结构示意图；而图4单独画出了图1中全部牺牲体的结构示意图。

所述硬质结构体1呈杆状；所述硬质结构体1上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体2，同一列中的各软质连接体2沿轴向均匀布置；所述硬质结构体1上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体3，同一组牺牲体3包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体3沿圆周方向错开，各牺牲体3位于轴向相邻的两个软质连接体2之间。

所述硬质结构体1为由各向同性材料构成的、具有高弹性模量和高拉伸强度特性的构造体，用于模拟骨骼中的硬质胶原纤维结构，它是骨骼中的主承力结构；所述软质连接体2为由各向同性材料构成的、具有低弹性模量和低拉伸强度特性的构造体，用于模拟骨骼中的软质蛋白及水分，它能够吸收振动冲击的能量；也就是说，所述硬质结构体1的弹性模量和拉升强度要大于所述软质连接体2的弹性模量和拉升强度。

所述牺牲体3是用于模拟骨骼中存在的钙介导牺牲键结构的构造体，牺牲键被定义为生物材料或结构受载荷作用，在强键(主链)失效之前预先断裂的相对弱键，可以有效提升相应生物材料的结构韧性和能量耗散能力。由于牺牲键的断裂(通常伴随着折叠链的释放)大量能量被耗散，强键(主链)得以保留，结构强度主要由强键(主链)强度决定因此基本不会受到牺牲键断裂的影响，而结构韧性和能量耗散能力则得到了增强。

此外，为了便于本发明在航天器上的安装与应用，在硬质结构体的两端还分别设有一个安装台4，在安装台4上开设有通孔，便于杆件的连接。

图2为本发明所述抗冲击三维仿生双相杆结构模型的左视图和前视图，可以看出，整体杆件结构的外形呈圆柱体状。建立图2中所示的总体坐标系o-xyz，其中x轴为沿杆件长度方向的中心轴线，y轴和z轴位于杆件的横截面内，且x轴、y轴和z轴构成了一个右手坐标系。由图2可以看到，仿生双相杆结构沿x轴所在中心轴线具有周向几何对称性，且仿生双相杆结构的基本受力形式为施加于结构两端的沿x轴方向的轴向载荷。

1)硬质结构体

硬质结构体1的结构如图5和图6所示，它主要承受正应力作用，是本发明所述仿生双相杆结构中的主要承力部分。

图6(a)显示了整体的硬质结构体，图6(b)显示了单个硬质结构体完整单元。图7是单个硬质结构体完整单元两个视图，其中图7(a)显示了单个硬质结构体完整单元的横截面形状。由图6(a)可以看出，整体硬质结构体1可以视为一个被软质连接体2和牺牲体3分割开的空心圆柱结构，所述硬质结构体1在周向通过所述软质连接体2连接，所述硬质结构体1在轴向通过所述牺牲体3连接。而且由图6还可以看出，所述硬质结构体1由多个硬质结构体完整单元和多个硬质结构体二分之一单元构成；在图6(a)中所显示的整体硬质结构体1是由8个硬质结构体完整单元和4个硬质结构体二分之一单元组成。所述硬质结构体完整单元为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构，本实施例中硬质结构体完整单元的扇面角度取为80°；所述硬质结构体二分之一单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面完全相同，长度等于所述硬质结构体完整单元的长度的一半。而且，所述硬质结构体二分之一单元的数量恰好等于所述硬质结构体完整单元的数量的一半。由图7(a)还可以看出硬质结构体完整单元的横截面呈去顶的扇形状。

任取一个硬质结构体完整单元进行分析，可建立如图6(b)所示的局部坐标系o-x₁y₁z₁。硬质结构体完整单元可以通过结构参数R、r以及l_a完全定义，其中，R表示扇形半径，r表示空心半径，l_a表示硬质结构体二分之一单元的长度，即硬质结构体完整单元的长度的一半。

在动力学分析中硬质结构体1被视为各向同性线弹性材料，仅考虑其拉伸、压缩形式的变形，且与软质连接体2、牺牲体3相比，其阻尼作用可以忽略。

2)软质连接体

请参阅图1和图3，软质连接体2是按一定规律交错布置在所述仿生双相杆结构的周向纵截面位置，具有传递切应力的功能，具体地，能够在周向相邻的硬质结构体1之间传递切应力。周向交错相邻的两个硬质结构体单元通过软质连接体2相互连接。

如图8所示，所述软质连接体2包括多个软质连接体单元；所述软质连接体单元为扇面角度为5°～20°的空心扇形体结构，且扇面半径、空心半径均与所述硬质结构体完整单元的相同。本实施例中软质连接体单元的扇面角度取为10°。

由图8(a)可以看出，所述软质连接体2的整体结构是由4列软质连接体单元线性阵列组合体绕所述仿生双相杆结构的中心轴线以90°间隔进行圆周阵列得到，所述软质连接体单元线性阵列组合体是由5个所述软质连接体单元进行等间距线性阵列得到。

如图8(b)所示，软质连接体单元也为空心的扇形体结构，扇形角度等于10°，通过结构参数R、r以及l_c完全定义，其中，R表示扇形半径，r表示空心半径，R、r的值与硬质结构体完整单元的相同，l_c表示软质连接体单元的长度；任取一软质连接体单元，可以建立图8(b)中所示的局部坐标系o-x₂y₂z₂。

在动力学分析中，软质连接体2被视为各向同性粘弹性材料，仅考虑其剪切形式的变形，是结构整体动力学模型的阻尼来源之一。此外忽略硬质结构体1和软质连接体2在界面上的相对变形，假设硬质结构体1和软质连接体2始终保持固定连接。

3)牺牲体

请参阅图1和图4，牺牲体3是按一定规律交错布置在所述仿生双相杆结构的轴向横截面位置，承担传递轴向正应力载荷的作用，具体地，能够在轴向相邻的硬质结构体2之间传递轴向正应力载荷。

如图9所示，所述牺牲体3包括多个牺牲体单元；所述牺牲体单元也为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构，所述牺牲体单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面完全相同，本实施例中牺牲体单元的扇面角度取为80°。由图9(a)可以看出，牺牲体单元的数量与硬质结构体完整单元的数量相等；参见图9(b)，牺牲体3可以通过结构参数R、r以及l_b完全定义，其中，R表示扇形半径，r表示空心的半径，l_b表示牺牲体单元长度的一半。同样可以在任一牺牲体单元上建立图9(b)所示局部坐标系o-x₃y₃z₃。

所述牺牲体3能够模拟骨骼中的牺牲键结构，具有可控断裂特性，能够在外载荷作用下发生断裂失效，具有两个相态，分别称为“0相”和“1相”。所述“0相”为牺牲体发生断裂前的相态，简称断裂前相态；所述“1相”为牺牲体发生断裂后的相态，简称断裂后相态。由于牺牲体具有“0相”和“1相”两个相态，因而将本发明称为双相杆结构。当牺牲体3在外载荷作用下断裂失效，即发生由“0相”进入“1相”的相变，此时牺牲体3断裂，从而失去承力能力。

本实施例中，牺牲体单元由各向同性脆性断裂材料构成，达到强度极限后可以发生脆性断裂，在未发生断裂失效前牺牲体单元承受正应力而发生拉伸、压缩形式的变形。

在动力学分析过程中，仅当本发明所述仿生双相杆结构处于“0相”时，动力学模型才中包含牺牲体3，此时牺牲体3被视为各向同性脆性断裂材料，仅考虑其拉伸、压缩形式的变形，忽略其粘性阻尼特性。在本发明所述仿生双相杆结构向“1相”过渡的过程中，各牺牲体单元逐步发生断裂，在所述仿生双相杆结构的动力学模型种亦随之删除相应牺牲体单元的影响。直至所述仿生双相杆结构处于“1相”时，其动力学模型内将不包含任何牺牲体单元。

二、效果验证

不同于传统阻尼器仅通过其中粘性材料对外界振动与冲击输入的能量进行转化与耗散，本发明所述仿生双相杆结构在受到瞬时高幅冲击激励时还可以通过牺牲体的断裂过程消耗大量能量。为了解本发明所述仿生双相杆结构对瞬时冲击的耐受性，下面通过数值仿真来分析所述仿生双相杆结构在冲击载荷作用下的能量平衡关系。

针对受冲击载荷所用瞬间的仿生双相杆结构，忽略摩擦耗散能、塑性变形耗散能以及蠕变耗能等受时间效应影响较大的能量改变，则其能量平衡方程可以写为：

E_I+E_K+E_V+E_B＝W，

其中：E_I为仿生双相杆结构可恢复弹性应变能，E_K为仿生双相杆结构瞬时动能，E_V为仿生双相杆结构阻尼机质引起的能量消耗，E_B为仿生双相杆结构相变过程中牺牲体断裂引起的能量耗散；W为冲击载荷所作的总功。

下面分析幅值分别为100g和5000g的两种轴向冲击载荷作用下仿生双相杆结构的动力学响应问题，以获取仿生双相杆结构在冲击载荷作用下的耗能特性。

1)受冲击未发生相变能量平衡分析

图10和图11分别为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷未发生相变时的粘性耗能以及粘性耗能速率的时变特性变化规律，它们具体展示了仿生双相杆结构在100g冲击载荷作用下，未发生相变过程6ms分析步长内结构粘性耗能E_V变化规律。可以发现在整个分析步长内粘性耗能E_V持续增长，而耗能速率则曾呈现出周期波动衰减的特点。在此仿真过程中粘性耗能速率在其第一次达到波峰的时刻t＝0.1275ms，亦达到了其在整个分析步长内的最大值，为11.99J/s。

2)受冲击发生相变能量平衡分析

图12和图13分别为本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷发生相变时的粘性耗能以及粘性耗能速率的时变特性变化规律，它们具体展示了仿生双相杆结构在5000g冲击载荷作用下发生相变，10ms分析步长内的结构粘性耗能E_V的变化规律。相较于上文所述未发生相变过程的仿真分析，可以发现在整个分析步长内粘性耗能E_V同样出现持续增长的趋势，而粘性耗能速率整体也呈现出周期波动衰减的规律；但是粘性耗能速率达到最大值的时刻有所不同。在此仿真分析过程中，粘性耗能速率第一次达到波峰的时刻t＝0.1047ms早于在相变发生时刻t＝0.1678ms，此时粘性耗能速率为341.8J/s但并非整个分析步长内的最大值；而在牺牲体断裂后粘性耗能速率首次达到波峰的时刻t＝0.2192ms，此时粘性耗能速率为348.7J/s，才是整个分析步长内的最大值。

进一步分析仿生双相杆结构在5000g冲击载荷作用下相变过程中断裂耗能E_B的变化规律，其结果如图14和图15所示。由于相变完成后E_B不再变化，因此仅需关注0.2ms时间段内仿生双相杆结构的断裂耗能和断裂耗能速率。可以发现仿生双相杆结构在相变过程中断裂能逐渐增长，当相变完成后断裂能在t＝0.1796ms时刻到达峰值0.396J并保持不变，而断裂耗能速率在t＝2.101×10^-2ms时刻达到峰值，为1006J/s。

将图12和图14进行对比，了解仿生双相杆结构E_V和E_B达到相同能耗所需时间，以及对图13和图15中的峰值耗能速率进行对比，可以发现断裂耗能的耗能效率远高于粘性耗能。

此外，还可以发现，与粘性耗能E_V持续增长的变化规律不同，断裂耗能E_B在增长过程中会出现明显的平台段且最终到达峰值后不再增长；这是由于本发明所述仿生双相杆结构受冲击载荷变形过程中各个牺牲体单元的损伤断裂是非连续的，而仿生双相杆断裂耗能E_B总量主要由各牺牲体单元的结构韧性所决定。

综合以上分析结构，可以表明：由于牺牲体断裂引起的仿生双相杆结构相变过程，明显提升了仿生双相杆结构对冲击载荷的耗散能力，从而提高了仿生双相杆结构的整体结构韧性和抗冲击能力。

此外，本发明所述仿生双相杆结构还可以通过取代传统类似于桁架结构的隔振装置中的杆状隔振单元以及航天器结构中的支撑杆结构，以改善隔振装置的隔振效果和航天器承力结构力学性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，包括杆状的硬质结构体(1)；所述硬质结构体(1)上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体(2)，同一列中的各软质连接体(2)沿轴向均匀布置；所述硬质结构体(1)上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体(3)，同一组牺牲体(3)包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体(3)沿圆周方向错开，各牺牲体(3)位于轴向相邻的两个软质连接体(2)之间；

所述硬质结构体(1)和所述软质连接体(2)均为由各向同性材料构成的构造体，所述硬质结构体(1)的弹性模量和拉升强度大于所述软质连接体(2)的弹性模量和拉升强度；所述硬质结构体(1)起承受正应力作用，所述软质连接体(2)具有传递切应力的功能；

所述牺牲体(3)为用于模拟骨骼中牺牲键结构的构造体，起传递轴向正应力载荷的作用；所述牺牲体(3)具有可控断裂特性，能够在外载荷作用下发生断裂失效。

2.如权利要求1所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述硬质结构体(1)包括多个硬质结构体完整单元和多个硬质结构体二分之一单元；

所述硬质结构体完整单元为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构；

所述硬质结构体二分之一单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面相同，长度等于所述硬质结构体(1)完整单元的长度的一半。

3.如权利要求2所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述硬质结构体二分之一单元的数量等于所述硬质结构体完整单元的数量的一半。

4.如权利要求1所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述软质连接体(2)包括多个软质连接体单元；所述软质连接体单元为扇面角度为5°～20°的空心扇形体结构，且扇面半径、空心半径分别与所述硬质结构体完整单元的扇面半径、空心半径相同。

5.如权利要求1所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述软质连接体(2)是由4列软质连接体单元线性阵列组合体绕中心轴线以90°间隔进行圆周阵列得到，所述软质连接体单元线性阵列组合体是由5个所述软质连接体单元进行等间距线性阵列得到。

6.如权利要求2所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述牺牲体(3)包括多个牺牲体单元；所述牺牲体(3)单元也为扇面角度为70°～85°的空心扇形体结构，所述牺牲体单元的横截面与所述硬质结构体完整单元的横截面完全相同；所述牺牲体单元的数量与所述硬质结构体完整单元的数量相等。

7.如权利要求6所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述牺牲体单元为各向同性的脆性断裂材料单元，具有两种相态，分别为断裂前相态和断裂后相态。

8.如权利要求1～7中任一项所述的抗冲击三维仿生双相杆结构，其特征在于，所述仿生双相杆结构还包括安装台(4)，所述安装台(4)位于所述硬质结构体(1)的两端。

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