应力分析(2)

    技术2024-12-08  113

    应力分析(2)1

    应力分量的坐标变换

    新坐标系中的3个正面分别看作是旧坐标系中的斜面,应用斜面公式(Cauchy公式),可以导出新旧坐标系中应力分量的变换关系。

    [ σ ′ ] = [ β ] [ σ ] [ β ] T (1.20) [\sigma ^\prime]=[\beta][\sigma][\beta]^T \tag{1.20} [σ′]=[β][σ][β]T(1.20)

    式中 [ β ] [\beta] [β]为新坐标系三个基矢量在旧坐标系三个轴上的投影组成的矩阵。

    [ β ] = [ l 1 m 1 n 1 l 2 m 2 n 2 l 3 m 3 n 3 ] [\beta]=\left [ \begin{matrix} l_1 & m_1 & n_1\\ l_2 & m_2 & n_2 \\ l_3 & m_3 & n_3 \end{matrix} \right ] [β]=⎣⎡​l1​l2​l3​​m1​m2​m3​​n1​n2​n3​​⎦⎤​, [ σ ] = [ σ x τ x y τ x z τ y x σ y τ y z τ z x τ z y σ z ] [\sigma]=\left [ \begin{matrix} \sigma_x & \tau_{xy} &\tau_{xz}\\ \tau_{yx} & \sigma_y & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} & \tau_{zy} & \sigma_z \end{matrix} \right] [σ]=⎣⎡​σx​τyx​τzx​​τxy​σy​τzy​​τxz​τyz​σz​​⎦⎤​

    张量表示为 σ m ′ n ′ = β m ′ i β n ′ j σ i j (1.22) \sigma_{m'n'}=\beta_{m'i}\beta_{n'j}\sigma_{ij} \tag{1.22} σm′n′​=βm′i​βn′j​σij​(1.22) 式中 β n ′ j = e ′ n ′ ⋅ e j \beta_{n'j}=\boldsymbol{e'}_{n'}\cdot \boldsymbol{e}_j βn′j​=e′n′​⋅ej​是 e ′ n ′ \boldsymbol{e'}_{n'} e′n′​在 e j \boldsymbol{e}_j ej​上的投影。

    主应力、应力张量不变量

    根据斜面公式,给定一点的应力状态,即 σ \sigma σ已知,各斜面上的应力矢量 T ( n ) \boldsymbol{T(n)} T(n)随斜面外法线方向 n \boldsymbol{n} n而改变。根据材料力学知识,在所有的斜面中存在这样的一个面,该面上只有正应力作用,而剪应力为零,即该面上的应力矢量 T ( n ) \boldsymbol{T(n)} T(n)只有沿法线方向的分量。下面求这个斜面的单位法线矢量 n \boldsymbol{n} n以及该面上的正应力 σ \sigma σ。 正应力与该面上的应力矢量的关系可表示为

    T ( n ) = σ n \boldsymbol{T(n)}=\sigma \boldsymbol{n} T(n)=σn

    写成分量形式为 T x = σ l , T y = σ m , T z = σ n T_x=\sigma l,T_y=\sigma m,T_z=\sigma n Tx​=σl,Ty​=σm,Tz​=σn

    代入应力分析(1)的公式(1.6) T x = σ x l + τ y x m + τ z x n T y = τ x y + σ y m + τ z y n T z = τ x z + τ y z m + σ z n (1.6) T_x=\sigma_{x}l+\tau _{yx}m+\tau_{zx}n \\ T_y=\tau_{xy}+\sigma_{y}m+\tau_{zy}n \\ T_z=\tau_{xz}+\tau_{yz}m+\sigma_{z} n \tag{1.6} Tx​=σx​l+τyx​m+τzx​nTy​=τxy​+σy​m+τzy​nTz​=τxz​+τyz​m+σz​n(1.6)

    整理可得 ( σ x − σ ) l + τ y x m + τ z x n = 0 τ x y l + ( σ y − σ ) m + τ z y n = 0 τ x z l + τ y z m + ( σ z − σ ) n = 0 (1.23) (\sigma_x-\sigma)l+\tau_{yx}m+\tau_{zx}n=0\\ \tau_{xy}l+(\sigma_y-\sigma)m+\tau_{zy}n=0 \\ \tau_{xz}l+\tau_{yz}m+(\sigma_z-\sigma)n=0 \tag{1.23} (σx​−σ)l+τyx​m+τzx​n=0τxy​l+(σy​−σ)m+τzy​n=0τxz​l+τyz​m+(σz​−σ)n=0(1.23)

    式(1.23)是关于 l 、 m 、 n l、m、n l、m、n的齐次方程,由于 l 2 + m 2 + n 2 = 1 l^2+m^2+n^2=1 l2+m2+n2=1,因此, l 、 m 、 n l、m、n l、m、n不可能同时为零,即方程(1.23)应有非零解。非零解的条件是其系数矩阵行列式为零。 ∣ σ x − σ τ x y τ x z τ y x σ y − σ τ y z τ z x τ z y σ z − σ ∣ = 0 \left| \begin{matrix} \sigma_x-\sigma &\tau_{xy} &\tau_{xz}\\ \tau_{yx} &\sigma_y-\sigma &\tau_{yz}\\ \tau_{zx} &\tau_{zy} &\sigma_z-\sigma \end{matrix} \right | =0 ∣∣∣∣∣∣​σx​−στyx​τzx​​τxy​σy​−στzy​​τxz​τyz​σz​−σ​∣∣∣∣∣∣​=0

    展开可得一个一元三次方程组,该方程数学上称为特征方程 σ 3 − I 1 σ 2 + I 2 σ − I 3 = 0 (1.24) \sigma^3-I_1\sigma^2+I_2\sigma-I_3=0 \tag{1.24} σ3−I1​σ2+I2​σ−I3​=0(1.24)

    式中 I 1 、 I 2 、 I 3 I_1、I_2、I_3 I1​、I2​、I3​分别为 I 1 = σ x + σ y + σ z = σ k k I 2 = σ x σ y + σ x σ z + σ y σ z − ( τ x y 2 + τ y z 2 + τ z x 2 ) = ∣ σ x τ x y τ y x σ y ∣ + ∣ σ y τ y z τ z y σ z ∣ + ∣ σ z τ z x τ x z σ x ∣ I 3 = σ x σ y σ z − ( σ x τ y z 2 + σ y τ z x 2 + σ z τ x y 2 ) + 2 τ x y τ y z τ z x = ∣ σ x τ x y τ x z τ y z σ y τ y z τ z x τ z y σ z ∣ (1.25) I_1=\sigma_x+\sigma_y+\sigma_z=\sigma_{kk} \\ I_2=\sigma_x\sigma_y+\sigma_x\sigma_z+\sigma_y\sigma_z-(\tau_{xy}^2+\tau_{yz}^2+\tau_{zx}^2)\\ =\left| \begin{matrix} \sigma_x & \tau_{xy}\\ \tau_{yx} &\sigma_y \end{matrix} \right| + \left| \begin{matrix} \sigma_y & \tau_{yz}\\ \tau_{zy} &\sigma_z \end{matrix} \right| + \left| \begin{matrix} \sigma_z & \tau_{zx}\\ \tau_{xz} &\sigma_x \end{matrix} \right| \\ I_3=\sigma_x\sigma_y\sigma_z-(\sigma_x\tau_{yz}^2+\sigma_y\tau_{zx}^2+\sigma_z\tau_{xy}^2)+2\tau_{xy}\tau_{yz}\tau_{zx} \\= \left| \begin{matrix} \sigma_x & \tau_{xy} &\tau_{xz}\\ \tau_{yz} &\sigma_y &\tau_{yz}\\ \tau_{zx} & \tau_{zy} &\sigma_z \end{matrix} \right| \tag{1.25} I1​=σx​+σy​+σz​=σkk​I2​=σx​σy​+σx​σz​+σy​σz​−(τxy2​+τyz2​+τzx2​)=∣∣∣∣​σx​τyx​​τxy​σy​​∣∣∣∣​+∣∣∣∣​σy​τzy​​τyz​σz​​∣∣∣∣​+∣∣∣∣​σz​τxz​​τzx​σx​​∣∣∣∣​I3​=σx​σy​σz​−(σx​τyz2​+σy​τzx2​+σz​τxy2​)+2τxy​τyz​τzx​=∣∣∣∣∣∣​σx​τyz​τzx​​τxy​σy​τzy​​τxz​τyz​σz​​∣∣∣∣∣∣​(1.25) 使用张量表示为 I 1 = σ k k I 2 = 1 2 ( I 1 2 − σ i j σ i j ) I 3 = 1 3 ( 3 I 1 I 2 − I 1 3 ) + σ i j σ j k σ k i (1.26) I_1=\sigma_{kk}\\ I_2=\frac{1}{2}(I_1^2-\sigma_{ij}\sigma_{ij})\\ I_3=\frac{1}{3}(3I_1I_2-I_1^3)+\sigma_{ij}\sigma_{jk}\sigma_{ki} \tag{1.26} I1​=σkk​I2​=21​(I12​−σij​σij​)I3​=31​(3I1​I2​−I13​)+σij​σjk​σki​(1.26) 主应力有3个重要性质:

    1)极值性

    最大(最小)主应力是该点任意面上正应力的最大(最小)者。

    2)主方向互相垂直

    3) I 1 、 I 2 、 I 3 I_1、I_2、I_3 I1​、I2​、I3​的坐标不变性

    I 1 、 I 2 、 I 3 I_1、I_2、I_3 I1​、I2​、I3​的大小与坐标系的选取无关,因此是坐标不变量。

    在以3个主轴为坐标轴的坐标系下,应力张量可表示为 [ σ i j ] = [ σ 1 0 0 0 σ 2 0 0 0 σ 3 ] [\sigma_{ij}]= \left[ \begin{matrix} \sigma_1 &0 & 0 \\ 0 & \sigma_2 &0 \\ 0 & 0& \sigma_3 \end{matrix} \right] [σij​]=⎣⎡​σ1​00​0σ2​0​00σ3​​⎦⎤​ 三个不变量用主应力表示为 I 1 = σ 1 + σ 2 + σ 3 I 2 = σ 1 σ 2 + σ 2 σ 3 + σ 3 σ 1 I 3 = σ 1 σ 2 σ 3 (1.28) I_1=\sigma_1+\sigma_2+\sigma_3\\ I_2=\sigma_1\sigma_2+\sigma_2\sigma_3+\sigma_3\sigma_1\\ I_3=\sigma_1\sigma_2\sigma_3 \tag{1.28} I1​=σ1​+σ2​+σ3​I2​=σ1​σ2​+σ2​σ3​+σ3​σ1​I3​=σ1​σ2​σ3​(1.28)

    最大剪应力

    设3个主应力及主应力方向已知,求最大剪应力。以3个主方向为其坐标轴方向,其单位矢量是KaTeX parse error: Undefined control sequence: \vect at position 1: \̲v̲e̲c̲t̲{e_1}、\vect {e_…,如图所示。推导思路:斜面公式–>求极值–>拉格朗日乘子。

    该斜面上的应力矢量是 T ( n ) = T ( e 1 ) l + T ( e 2 ) m + T ( e 3 ) n = l σ 1 e 1 + m σ 2 e 2 + n σ 3 e 3 (1.29) \boldsymbol{T(n)}=\boldsymbol{T}(\boldsymbol{ e}_1)l+\boldsymbol{T}(\boldsymbol{ e}_2)m+\boldsymbol{T}(\boldsymbol{e}_3)n \\=l\sigma_1\boldsymbol{e}_1+m\sigma_2\boldsymbol{e}_2+n\sigma_3\boldsymbol{e}_3 \tag{1.29} T(n)=T(e1​)l+T(e2​)m+T(e3​)n=lσ1​e1​+mσ2​e2​+nσ3​e3​(1.29)

    该斜面上的正应力是 σ n = T ( n ) ⋅ n = l 2 σ 1 + m 2 σ 2 + n 2 σ 3 (1.30) \sigma_n=\boldsymbol{T}(\boldsymbol{n})\cdot \boldsymbol{n}=l^2\sigma_1+m^2\sigma_2+n^2\sigma_3 \tag{1.30} σn​=T(n)⋅n=l2σ1​+m2σ2​+n2σ3​(1.30) 斜面上的剪应力为 τ n 2 = ∥ T ∥ 2 − σ n 2 (1.32) \tau_n^2=\|\boldsymbol{T}\|^2-\sigma_n^2 \tag{1.32} τn2​=∥T∥2−σn2​(1.32)

    结果:设 σ 1 ≥ σ 2 ≥ σ 3 \sigma_1\geq\sigma_2\geq\sigma_3 σ1​≥σ2​≥σ3​,则最大剪应力是 τ m a x = σ 1 − σ 3 2 (1.33) \tau_{max}=\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2} \tag{1.33} τmax​=2σ1​−σ3​​(1.33) 所在的平面与中应力 σ 2 \sigma_2 σ2​平行而与最大主应力 σ 3 \sigma_3 σ3​和最小主应力 σ 3 \sigma_3 σ3​的角度分别为 4 5 ∘ 45^\circ 45∘。

    Mohr应力圆

    根据式(1.30)和式(1.32),任一斜面上的正应力 σ n \sigma_n σn​和剪应力 τ n \tau_n τn​随斜面外法线方向余弦l、m、n而变化,将每一个斜面上的 σ n \sigma_n σn​和 τ n \tau_n τn​使用 σ − τ \sigma - \tau σ−τ坐标系上的坐标点表示,所有这些坐标点所组成的图形称之为Mohr图。

    设 σ 1 ≥ σ 2 ≥ σ 3 \sigma_1\geq\sigma_2\geq\sigma_3 σ1​≥σ2​≥σ3​,可推导出应力圆 τ n 2 + ( σ n − σ 2 + σ 3 2 ) 2 ≥ ( σ 2 − σ 3 2 ) 2 τ n 2 + ( σ n − σ 3 + σ 1 2 ) 2 ≤ ( σ 3 − σ 1 2 ) 2 τ n 2 + ( σ n − σ 1 + σ 2 2 ) 2 ≥ ( σ 1 − σ 2 2 ) 2 \tau_n^2+(\sigma_n-\frac{\sigma_2+\sigma_3}{2})^2\geq(\frac {\sigma_2-\sigma_3}{2})^2\\ \tau_n^2+(\sigma_n-\frac{\sigma_3+\sigma_1}{2})^2\leq(\frac{\sigma_3-\sigma_1}{2})^2\\ \tau_n^2+(\sigma_n-\frac{\sigma_1+\sigma_2}{2})^2\geq(\frac{\sigma_1-\sigma_2}{2})^2 τn2​+(σn​−2σ2​+σ3​​)2≥(2σ2​−σ3​​)2τn2​+(σn​−2σ3​+σ1​​)2≤(2σ3​−σ1​​)2τn2​+(σn​−2σ1​+σ2​​)2≥(2σ1​−σ2​​)2 由这三个不等式可知:任意一斜面的应力 σ n 、 τ n \sigma_n、\tau_n σn​、τn​在 σ − τ \sigma - \tau σ−τ坐标系中,均落在 σ 1 、 σ 2 、 σ 3 \sigma_1、\sigma_2、\sigma_3 σ1​、σ2​、σ3​决定的3个圆上或者圆之间的阴影面积内。如下图所示,这三个圆称之为Mohr应力圆,简称为Mohr圆或应力圆。

    偏应力张量及其不变量

    一点的应力状态可以分解为:静水压力状态和偏应力状态之和。静水压力状态是指微六面体的每个面上只有正应力作用,而剪应力为零,正应力大小均为平均应力 σ 0 = 1 3 ( σ 1 + σ 2 + σ 3 ) (1.40) \sigma_0=\frac{1}{3}(\sigma_1+\sigma_2+\sigma_3) \tag{1.40} σ0​=31​(σ1​+σ2​+σ3​)(1.40) 即 [ σ 0 δ i j ] = [ σ 0 0 0 0 σ 0 0 0 0 σ 0 ] [\sigma_0\delta_{ij}]= \left[ \begin{matrix} \sigma_0 & 0 &0\\ 0 & \sigma_0 & 0\\ 0 & 0 & \sigma_0 \end{matrix} \right] [σ0​δij​]=⎣⎡​σ0​00​0σ0​0​00σ0​​⎦⎤​ 式中 δ i j \delta_{ij} δij​是Kronecker符号。 σ 0 δ i j \sigma_0\delta_{ij} σ0​δij​称为球形张量。

    偏应力状态是从应力状态中扣除静水压力后剩下的部分,表示为 [ s i j ] = [ σ x − σ 0 τ x y τ x z τ y x σ y − σ 0 τ y z τ z x τ z y σ z − σ 0 ] (1.41) [s_{ij}]= \left[ \begin{matrix} \sigma_x -\sigma_0 & \tau_{xy} & \tau_{xz} \\ \tau_{yx} &\sigma_y -\sigma_0 & \tau_{yz}\\ \tau_{zx} & \tau_{zy} &\sigma_z-\sigma_0 \end{matrix} \right] \tag{1.41} [sij​]=⎣⎡​σx​−σ0​τyx​τzx​​τxy​σy​−σ0​τzy​​τxz​τyz​σz​−σ0​​⎦⎤​(1.41) 偏应力 s i j s_{ij} sij​也是一个对称的二阶张量。

    上述的应力分解用张量表示为 σ i j = s i j + σ 0 δ i j \sigma_{ij}=s_{ij}+\sigma_0\delta_{ij} σij​=sij​+σ0​δij​

    静水压力状态的特点

    任意斜面上的剪应力为零;Mohr应力圆退化为 σ \sigma σ轴上的一点;这是一种各个面上应力都相同的状态。

    偏应力的主值和不变量

    偏应力张量 s i j s_{ij} sij​所代表的应力状态有什么的特点?将式(1.24)和试(1.25)中的 σ i j \sigma_{ij} σij​用 s i j s_{ij} sij​替代,则求得偏应力主值的特征方程为 s 3 − J 1 s 2 − J 2 s − J 3 = 0 (1.42) \boldsymbol{s}^3-J_1\boldsymbol{s}^2-J_2\boldsymbol{ s}-J_3=0 \tag{1.42} s3−J1​s2−J2​s−J3​=0(1.42) 式中 J 1 = σ x − σ 0 + σ y − σ 0 + σ z − σ 0 = s k k = 0 J 2 = − ∣ σ x − σ 0 τ x y τ y z σ y − σ 0 ∣ − ∣ σ y − σ 0 τ y z τ x y σ z − σ 0 ∣ − ∣ σ z − σ 0 τ z x τ x z σ x − σ 0 ∣ = 1 6 [ ( σ x − σ y ) 2 + ( σ y − σ z ) 2 + ( σ z − σ x ) 2 − 6 ( τ x y 2 + τ y z 2 − τ z x 2 ) ] = 1 2 s i j s i j J 3 = ∣ σ x − σ 0 τ x y τ x z τ y x σ y − σ 0 τ y z τ z x τ z y σ z − σ 0 ∣ = 1 3 s i j s j k s k i (1.43) J_1=\sigma_x-\sigma_0+\sigma_y-\sigma_0+\sigma_z-\sigma_0=s_{kk}=0\\ J_2= -\left| \begin{matrix} \sigma_x-\sigma_0 &\tau_{xy}\\ \tau_{yz} &\sigma_y-\sigma_0 \end{matrix} \right| -\left| \begin{matrix} \sigma_y-\sigma_0 &\tau_{yz}\\ \tau_{xy} &\sigma_z-\sigma_0 \end{matrix} \right| -\left| \begin{matrix} \sigma_z-\sigma_0 &\tau_{zx}\\ \tau_{xz} &\sigma_x-\sigma_0 \end{matrix} \right| \\ =\frac{1}{6}[(\sigma_x-\sigma_y)^2+(\sigma_y-\sigma_z)^2+(\sigma_z-\sigma_x)^2-6(\tau_{xy}^2+\tau_{yz}^2-\tau_{zx}^2)]=\frac{1}{2}s_{ij}s_{ij} \\ J_3= \left| \begin{matrix} \sigma_x-\sigma_0 & \tau_{xy} & \tau_{xz} \\ \tau_{yx} & \sigma_y-\sigma_0 & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} & \tau_{zy} &\sigma_z-\sigma_0 \end{matrix} \right| =\frac{1}{3}s_{ij}s_{jk}s_{ki} \tag{1.43} J1​=σx​−σ0​+σy​−σ0​+σz​−σ0​=skk​=0J2​=−∣∣∣∣​σx​−σ0​τyz​​τxy​σy​−σ0​​∣∣∣∣​−∣∣∣∣​σy​−σ0​τxy​​τyz​σz​−σ0​​∣∣∣∣​−∣∣∣∣​σz​−σ0​τxz​​τzx​σx​−σ0​​∣∣∣∣​=61​[(σx​−σy​)2+(σy​−σz​)2+(σz​−σx​)2−6(τxy2​+τyz2​−τzx2​)]=21​sij​sij​J3​=∣∣∣∣∣∣​σx​−σ0​τyx​τzx​​τxy​σy​−σ0​τzy​​τxz​τyz​σz​−σ0​​∣∣∣∣∣∣​=31​sij​sjk​ski​(1.43)

    解方程(1.42)可得偏应力的三个主值 s 1 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ + 2 π 3 ) s 2 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ ) s 3 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ − 2 π 3 ) (1.44) s_1=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin \left (\theta_\sigma+\frac{2\pi}{\sqrt{3}} \right)\\ s_2=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin(\theta_\sigma) \\ s_3=\frac{2\sqrt{J_2}}{3}\sin\left( \theta_\sigma-\frac{2\pi}{3}\right) \tag{1.44} s1​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​+3 ​2π​)s2​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​)s3​=32J2​ ​​sin(θσ​−32π​)(1.44) 式中 θ σ \theta_\sigma θσ​称为Lode角,为 θ σ = 1 3 s i n − 1 [ − 27 J 3 2 ( J 2 ) 3 / 2 ] (1.45) \theta_\sigma=\frac{1}{3}sin^{-1}\left[ \frac{-\sqrt{27}J_3}{2(J_2)^{3/2}}\right] \tag{1.45} θσ​=31​sin−1[2(J2​)3/2−27 ​J3​​](1.45) 由应力状态分解的关系(1.41)可以得出主应力可表示为 σ 1 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ + 2 π 3 ) + σ 0 σ 2 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ ) + σ 0 σ 3 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ − 2 π 3 ) + σ 0 \sigma_1=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin \left (\theta_\sigma+\frac{2\pi}{\sqrt{3}} \right)+\sigma_0\\ \sigma_2=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin(\theta_\sigma) +\sigma_0\\ \sigma_3=\frac{2\sqrt{J_2}}{3}\sin\left( \theta_\sigma-\frac{2\pi}{3}\right)+\sigma_0 σ1​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​+3 ​2π​)+σ0​σ2​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​)+σ0​σ3​=32J2​ ​​sin(θσ​−32π​)+σ0​

    表示为 σ 1 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ + 2 π 3 ) + σ 0 σ 2 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ ) + σ 0 σ 3 = 2 J 2 3 sin ⁡ ( θ σ − 2 π 3 ) + σ 0 \sigma_1=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin \left (\theta_\sigma+\frac{2\pi}{\sqrt{3}} \right)+\sigma_0\\ \sigma_2=\frac{2\sqrt{J_2}}{\sqrt{3}}\sin(\theta_\sigma) +\sigma_0\\ \sigma_3=\frac{2\sqrt{J_2}}{3}\sin\left( \theta_\sigma-\frac{2\pi}{3}\right)+\sigma_0 σ1​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​+3 ​2π​)+σ0​σ2​=3 ​2J2​ ​​sin(θσ​)+σ0​σ3​=32J2​ ​​sin(θσ​−32π​)+σ0​


    陈明祥. 弹塑性力学[M]. 北京: 科学出版社, 2007. ↩︎

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