https://lxxb.www.cn100led.com/ Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics day 15 2024-02-09 18:47:51 lxxb@www.cn100led.com lxxb@www.cn100led.com 2024-02-09 18:47:51 zh lxxb@www.cn100led.com 0459-1879 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-302 <br/><p>可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题. 通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素. 基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3 种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理. 除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 307-313. <br/><p>可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题. 通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素. 基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3 种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理. 除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 307-313. 飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 307-313. article doi:10.6052/0459-1879-12-302 10.6052/0459-1879-12-302 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-302 307-313 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-294 <br/><p>分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 314-322. <br/><p>分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 314-322. 微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 314-322. article doi:10.6052/0459-1879-12-294 10.6052/0459-1879-12-294 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-294 314-322 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-223 <br/><p>基于线性稳定性理论,建立了描述同轴旋转可压缩流动中超空化条件下液体射流稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对模型中考虑的射流及气体可压缩性、气体同轴旋转以及超空化等因素对射流稳定性的影响进行了分析. 分析结果表明,模型中考虑射流及气体的可压缩性后,与不考虑可压缩性相比,计算得到的射流稳定性明显变差,最小液滴直径减小,分裂液滴直径变化范围变宽,且小液滴数量增多. 气体的同轴旋转在轴对称与非轴对称扰动下对射流稳定性的影响完全相反;轴对称扰动时,气体旋转使射流稳定性增强,而非轴对称扰动时则正好相反;气体旋转有可能导致影响射流稳定性的扰动模式发生根本性变化. 超空化使射流稳定性变差;超空化程度较弱时,超空化使分裂液滴最小直径减小,分裂液滴直径变化范围增大;而超空化达到一定程度后,进一步提高超空化程度,分裂液滴最小直径几乎保持不变.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 323-330. <br/><p>基于线性稳定性理论,建立了描述同轴旋转可压缩流动中超空化条件下液体射流稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证;在此基础上,对模型中考虑的射流及气体可压缩性、气体同轴旋转以及超空化等因素对射流稳定性的影响进行了分析. 分析结果表明,模型中考虑射流及气体的可压缩性后,与不考虑可压缩性相比,计算得到的射流稳定性明显变差,最小液滴直径减小,分裂液滴直径变化范围变宽,且小液滴数量增多. 气体的同轴旋转在轴对称与非轴对称扰动下对射流稳定性的影响完全相反;轴对称扰动时,气体旋转使射流稳定性增强,而非轴对称扰动时则正好相反;气体旋转有可能导致影响射流稳定性的扰动模式发生根本性变化. 超空化使射流稳定性变差;超空化程度较弱时,超空化使分裂液滴最小直径减小,分裂液滴直径变化范围增大;而超空化达到一定程度后,进一步提高超空化程度,分裂液滴最小直径几乎保持不变.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 323-330. 同轴旋转可压缩流动中液体射流稳定性 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 323-330. article doi:10.6052/0459-1879-12-223 10.6052/0459-1879-12-223 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-223 323-330 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-246 <br/><p>通过分析壁面切应力,比较了不同高宽比矩形通道宽边和窄边壁面摩擦阻力特性. 结果表明宽边摩擦阻力随高宽比的减小而急剧增加;窄边摩擦阻力变化趋势与宽边相反,但变化幅度比宽边小;总摩擦阻力随高宽比的减小而增大. 宽边摩擦阻力占总摩擦阻力的份额随高宽比的增加而减小,且高宽比越大,变化速率越慢. 高宽比对窄边局部切应力的影响很小,对宽边局部切应力的大小和分布形状均有明显影响. 采用能量梯度法,对不同高宽比矩形通道内单相层流-湍流转捩雷诺数进行求解,并将理论计算结果整理成多项式,其预测值和实验值有很好的一致性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 331-336. <br/><p>通过分析壁面切应力,比较了不同高宽比矩形通道宽边和窄边壁面摩擦阻力特性. 结果表明宽边摩擦阻力随高宽比的减小而急剧增加;窄边摩擦阻力变化趋势与宽边相反,但变化幅度比宽边小;总摩擦阻力随高宽比的减小而增大. 宽边摩擦阻力占总摩擦阻力的份额随高宽比的增加而减小,且高宽比越大,变化速率越慢. 高宽比对窄边局部切应力的影响很小,对宽边局部切应力的大小和分布形状均有明显影响. 采用能量梯度法,对不同高宽比矩形通道内单相层流-湍流转捩雷诺数进行求解,并将理论计算结果整理成多项式,其预测值和实验值有很好的一致性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 331-336. 矩形通道高宽比对单相层流特性的影响 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 331-336. article doi:10.6052/0459-1879-12-246 10.6052/0459-1879-12-246 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-246 331-336 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-173 <br/><p>为揭示微弯河岸沿线的扰动压力分布规律及主要影响因素,以水流运动的二维浅水方程为基础,运用小扰动理论对基本方程及边界条件进行线性化处理,推导正弦型微弯河岸缓流情况下的扰动压力分布公式,并进行影响因素的敏感性分析. 压力分布的解析解与影响因素的敏感性分析表明,在缓流条件下,正弦型微弯河岸的扰动压力分布呈正弦曲线变化,扰动压力的峰值和谷值分别出现在凹岸和凸岸的最大曲率位置,弯曲河岸的振幅与波长比&lt;em&lt;a/λ&lt;/em&lt;是影响其沿线压力分布的主要因素. 研究成果可用于估算河流地表水与河岸地下水交换的边界条件,将有利于河岸侧向潜流交换机理及河岸带相关研究的进一步开展.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 337-342. <br/><p>为揭示微弯河岸沿线的扰动压力分布规律及主要影响因素,以水流运动的二维浅水方程为基础,运用小扰动理论对基本方程及边界条件进行线性化处理,推导正弦型微弯河岸缓流情况下的扰动压力分布公式,并进行影响因素的敏感性分析. 压力分布的解析解与影响因素的敏感性分析表明,在缓流条件下,正弦型微弯河岸的扰动压力分布呈正弦曲线变化,扰动压力的峰值和谷值分别出现在凹岸和凸岸的最大曲率位置,弯曲河岸的振幅与波长比&lt;em&lt;a/λ&lt;/em&lt;是影响其沿线压力分布的主要因素. 研究成果可用于估算河流地表水与河岸地下水交换的边界条件,将有利于河岸侧向潜流交换机理及河岸带相关研究的进一步开展.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 337-342. 基于小扰动理论的微弯河岸沿线扰动压力分布 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 337-342. article doi:10.6052/0459-1879-12-173 10.6052/0459-1879-12-173 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-173 337-342 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-337 <br/><p>为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的运动衰减特性与不规则波响应,提出了基于船模拖曳水池的系泊试验方法,设计了试验模型和装置,构建了系泊试验平台,进行了组合模型的自由衰减试验、系泊衰减试验和系泊状态下的不规则波响应试验. 衰减试验中测量了模型的摇动衰减特性,不规则波响应试验中测量了系缆的拉力响应和组合模型的摇动响应. 试验研究得到了关于漂浮式潮流能发电装置的衰减运动特性和4级海况、0.6m/s流速时1号系缆的拉力响应以及组合模型的摇动响应. 研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 343-348. <br/><p>为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的运动衰减特性与不规则波响应,提出了基于船模拖曳水池的系泊试验方法,设计了试验模型和装置,构建了系泊试验平台,进行了组合模型的自由衰减试验、系泊衰减试验和系泊状态下的不规则波响应试验. 衰减试验中测量了模型的摇动衰减特性,不规则波响应试验中测量了系缆的拉力响应和组合模型的摇动响应. 试验研究得到了关于漂浮式潮流能发电装置的衰减运动特性和4级海况、0.6m/s流速时1号系缆的拉力响应以及组合模型的摇动响应. 研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 343-348. 潮流发电装置运动衰减特性与不规则波响应 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 343-348. article doi:10.6052/0459-1879-12-337 10.6052/0459-1879-12-337 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-337 343-348 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-280 <br/><p>蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 349-358. <br/><p>蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 349-358. 蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 349-358. article doi:10.6052/0459-1879-12-280 10.6052/0459-1879-12-280 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-280 349-358 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-264 <br/><p>针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 359-366. <br/><p>针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 359-366. 黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 359-366. article doi:10.6052/0459-1879-12-264 10.6052/0459-1879-12-264 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-264 359-366 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-300 <br/><p>在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 367-374. <br/><p>在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 367-374. 一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 367-374. article doi:10.6052/0459-1879-12-300 10.6052/0459-1879-12-300 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-300 367-374 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-250 <br/><p>通过对一种类似于土的颗粒材料——玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 375-383. <br/><p>通过对一种类似于土的颗粒材料——玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 375-383. 颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 375-383. article doi:10.6052/0459-1879-12-250 10.6052/0459-1879-12-250 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-250 375-383 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-273 <br/><p>致密砂岩渗透率在油气勘探开发、地应力测量及水库地质灾害等领域具有重要意义,但鉴于目前实验技术局限性,温压耦合渗透率测量尚无法通过实验手段实现. 在已有研究工作基础上,首次建立了基于D3Q27数字岩芯模型,并计算了高温压耦合低渗砂岩渗透率问题. 首先,以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例,利用X射线CT断层成像技术岩芯获取10μm, 5μm, 2μm分辨率致密砂岩内部结构数据,应用基于量子力学第一性原理的D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型建立数值模型. 进而,利用自编3DLBM程序分别计算了不同分辨率渗透率随围压(0～200MPa)、孔隙压(0～65MPa)和温度(25℃～180℃)变化规律,通过与Inc AUTOLAB2 000C岩石测试分析系统实验结果对比,验证了程序的可靠性,得到低渗砂岩断层最佳分辨率;最后,在并行CPU-GPU平台上计算了高温高压耦合(0℃～400℃, 0～1.4 GPa)下致密砂岩渗透率值及其各向异性随温压变化规律,并讨论了致密砂岩中水在达到超临界状态后对致密岩石内部结构的影响.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 384-394. <br/><p>致密砂岩渗透率在油气勘探开发、地应力测量及水库地质灾害等领域具有重要意义,但鉴于目前实验技术局限性,温压耦合渗透率测量尚无法通过实验手段实现. 在已有研究工作基础上,首次建立了基于D3Q27数字岩芯模型,并计算了高温压耦合低渗砂岩渗透率问题. 首先,以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例,利用X射线CT断层成像技术岩芯获取10μm, 5μm, 2μm分辨率致密砂岩内部结构数据,应用基于量子力学第一性原理的D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型建立数值模型. 进而,利用自编3DLBM程序分别计算了不同分辨率渗透率随围压(0～200MPa)、孔隙压(0～65MPa)和温度(25℃～180℃)变化规律,通过与Inc AUTOLAB2 000C岩石测试分析系统实验结果对比,验证了程序的可靠性,得到低渗砂岩断层最佳分辨率;最后,在并行CPU-GPU平台上计算了高温高压耦合(0℃～400℃, 0～1.4 GPa)下致密砂岩渗透率值及其各向异性随温压变化规律,并讨论了致密砂岩中水在达到超临界状态后对致密岩石内部结构的影响.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 384-394. 波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 384-394. article doi:10.6052/0459-1879-12-273 10.6052/0459-1879-12-273 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-273 384-394 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-230 <br/><p>实际岩石比如沉积形成的岩石往往是裂隙和孔隙并存的孔隙介质. 由于扁状的裂隙与近似球形或圆管形的孔隙具有不同的可压缩性,当孔隙介质受压时,液体会从易压缩的裂隙中挤出流入不易压缩的孔隙中,这种挤喷流会引起弹性模量的频散和能量的耗散. 着重研究了裂隙挤喷流和液体可压缩性对孔道变形的影响,推导出了动载荷作用下排水体积模量的表达式. 与挤喷流相关的裂隙附加柔度会引起排水体积模量随频率变化,使得孔隙介质呈现黏弹性. 频率越高,模量的实部越大,岩石抵抗变形的能力越强. 而模量的虚部体现了挤喷流对能量的耗散. 裂隙密度主要决定模量频散的幅度以及能量耗散的强度,且裂隙密度越大,模量频散幅度越大,能量耗散也越强. 裂隙的纵横比主要决定模量频散速率最快或能量耗散最强时对应的特征频率. 若孔隙介质中不含有裂隙,即裂隙密度是0时,排水体积模量退化为Biot理论中的排水体积模量.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 395-405. <br/><p>实际岩石比如沉积形成的岩石往往是裂隙和孔隙并存的孔隙介质. 由于扁状的裂隙与近似球形或圆管形的孔隙具有不同的可压缩性,当孔隙介质受压时,液体会从易压缩的裂隙中挤出流入不易压缩的孔隙中,这种挤喷流会引起弹性模量的频散和能量的耗散. 着重研究了裂隙挤喷流和液体可压缩性对孔道变形的影响,推导出了动载荷作用下排水体积模量的表达式. 与挤喷流相关的裂隙附加柔度会引起排水体积模量随频率变化,使得孔隙介质呈现黏弹性. 频率越高,模量的实部越大,岩石抵抗变形的能力越强. 而模量的虚部体现了挤喷流对能量的耗散. 裂隙密度主要决定模量频散的幅度以及能量耗散的强度,且裂隙密度越大,模量频散幅度越大,能量耗散也越强. 裂隙的纵横比主要决定模量频散速率最快或能量耗散最强时对应的特征频率. 若孔隙介质中不含有裂隙,即裂隙密度是0时,排水体积模量退化为Biot理论中的排水体积模量.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 395-405. 裂隙挤喷流对孔隙介质排水体积模量的影响 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 395-405. article doi:10.6052/0459-1879-12-230 10.6052/0459-1879-12-230 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-230 395-405 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-375 <br/><p>陀螺进动与轨道进动现象的相似性归因于二者的动力学相似性. 通过类比二者的动力学模型,提出了一类强迫进动轨道. 若以圆轨道为初始轨道,通过施加常值法向力可以实现一种特殊的悬浮型强迫进动轨道. 采用四元数建模方法求解了这种强迫进动轨道的进动规律,给出了解析表达式,据此分析了这种轨道的性质. 分析结果表明这种强迫进动轨道与初始圆轨道在同一球面上,且与初始位置相切. 其角速度为进动角速度与初始轨道角速度的合成,是一种悬浮轨道,即属于非开普勒轨道. 悬浮轨道在地球观测、行星际科学、天文观测、无线电通讯以及地球工程等领域具有潜在应用前景. 从强迫进动的角度出发所作的分析为悬浮轨道的实现提供了一种新途径.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 406-411. <br/><p>陀螺进动与轨道进动现象的相似性归因于二者的动力学相似性. 通过类比二者的动力学模型,提出了一类强迫进动轨道. 若以圆轨道为初始轨道,通过施加常值法向力可以实现一种特殊的悬浮型强迫进动轨道. 采用四元数建模方法求解了这种强迫进动轨道的进动规律,给出了解析表达式,据此分析了这种轨道的性质. 分析结果表明这种强迫进动轨道与初始圆轨道在同一球面上,且与初始位置相切. 其角速度为进动角速度与初始轨道角速度的合成,是一种悬浮轨道,即属于非开普勒轨道. 悬浮轨道在地球观测、行星际科学、天文观测、无线电通讯以及地球工程等领域具有潜在应用前景. 从强迫进动的角度出发所作的分析为悬浮轨道的实现提供了一种新途径.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 406-411. 陀螺进动与强迫进动轨道 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 406-411. article doi:10.6052/0459-1879-12-375 10.6052/0459-1879-12-375 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-375 406-411 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-267 <br/><p>针对星际探测中的引力辅助技术,基于二体问题,导出了三维引力辅助前后飞行器速度、能量、角动量和轨道倾角与引力辅助参数之间的解析公式. 以进行木星引力辅助为例,将解析公式计算的结果与基于圆型限制性三体问题的数值仿真结果进行了对比,各项绝对误差小于0.01,除极少数情况外,相对误差均小于0.7%. 分析结果表明导出的解析公式与实际情况对比具有较高的精度,可以满足引力辅助轨道初步设计的需要. 为了讨论和应用上的方便,对导出的公式进行了简化,据此进一步讨论了引力辅助参数对引力辅助效果的影响.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 412-420. <br/><p>针对星际探测中的引力辅助技术,基于二体问题,导出了三维引力辅助前后飞行器速度、能量、角动量和轨道倾角与引力辅助参数之间的解析公式. 以进行木星引力辅助为例,将解析公式计算的结果与基于圆型限制性三体问题的数值仿真结果进行了对比,各项绝对误差小于0.01,除极少数情况外,相对误差均小于0.7%. 分析结果表明导出的解析公式与实际情况对比具有较高的精度,可以满足引力辅助轨道初步设计的需要. 为了讨论和应用上的方便,对导出的公式进行了简化,据此进一步讨论了引力辅助参数对引力辅助效果的影响.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 412-420. 三维引力辅助解析分析方法研究 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 412-420. article doi:10.6052/0459-1879-12-267 10.6052/0459-1879-12-267 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-267 412-420 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-355 <br/><p>提出了高斯白噪声激励的线性及非线性结构动力学系统的首次穿越失效概率的估计方法. 对于线性结构动力学系统,失效区域被分解为互斥的基本失效域之和,每个基本失效域可用其设计点完全描述,并以正态分布代替卡方分布估计失效概率中的参数. 对于非线性结构动力学系统,基于Rice穿越理论,将非线性方程转化为与之具有相同平均上穿率的线性化方程,然后利用文中方法对等效线性化方程估计首穿失效概率. 最后给出了线性及非线性结构动力学系统的数值例子,并将所提方法与蒙特卡罗法及重要样本法相比较,模拟结果显示了方法的正确性与有效性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 421-425. <br/><p>提出了高斯白噪声激励的线性及非线性结构动力学系统的首次穿越失效概率的估计方法. 对于线性结构动力学系统,失效区域被分解为互斥的基本失效域之和,每个基本失效域可用其设计点完全描述,并以正态分布代替卡方分布估计失效概率中的参数. 对于非线性结构动力学系统,基于Rice穿越理论,将非线性方程转化为与之具有相同平均上穿率的线性化方程,然后利用文中方法对等效线性化方程估计首穿失效概率. 最后给出了线性及非线性结构动力学系统的数值例子,并将所提方法与蒙特卡罗法及重要样本法相比较,模拟结果显示了方法的正确性与有效性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 421-425. 基于区域分解的结构动力学系统首次穿越失效 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 421-425. article doi:10.6052/0459-1879-12-355 10.6052/0459-1879-12-355 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-355 421-425 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-320 <br/><p>将传统方法用于铰内接触分析时,需要通过物体的相对运动细节判断接触位置. 但实际机械系统中的铰,其内部缝隙非常小以至于几乎与计算误差的数量级相同. 在这种情况下,传统方法中的数值病态非常严重,难以得到合理的结果. 结合深沟球轴承旋转铰的构造细节,分析了钢球与轨道接触时运动学描述参数之间的关系、钢球在有效承载时的受力特征以及铰内接触形式的特点. 在此基础上,提出了一种确定多体系统中深沟球轴承旋转铰内接触力和接触位置的方法. 所提方法不需要解除铰的运动学约束,也不必求解非线性互补方程,因此在数值稳定性和计算效率方面具有优势. 数值算例验证了该方法的可行性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 426-433. <br/><p>将传统方法用于铰内接触分析时,需要通过物体的相对运动细节判断接触位置. 但实际机械系统中的铰,其内部缝隙非常小以至于几乎与计算误差的数量级相同. 在这种情况下,传统方法中的数值病态非常严重,难以得到合理的结果. 结合深沟球轴承旋转铰的构造细节,分析了钢球与轨道接触时运动学描述参数之间的关系、钢球在有效承载时的受力特征以及铰内接触形式的特点. 在此基础上,提出了一种确定多体系统中深沟球轴承旋转铰内接触力和接触位置的方法. 所提方法不需要解除铰的运动学约束,也不必求解非线性互补方程,因此在数值稳定性和计算效率方面具有优势. 数值算例验证了该方法的可行性.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 426-433. 多体系统中深沟球轴承旋转铰内接触分析 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 426-433. article doi:10.6052/0459-1879-12-320 10.6052/0459-1879-12-320 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-320 426-433 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-249 <br/><p>空间飞网是一种新型的空间碎片或漂浮物回收装置. 飞网抛射过程会对母体卫星产生较大的干扰,影响卫星的姿态稳定,因此需要设计具有抗干扰能力的控制律来保证卫星姿态的稳定. 针对空间飞网直接抛射展开过程,分析了影响飞网抛射效果的主要因素,并建立了飞网发射所产生的干扰力矩模型. 针对卫星的控制要求,建立了卫星姿态控制系统的模型,设计了滑模变结构控制器,并给出数学推导过程. 最后,通过仿真对姿态干扰及控制器控制性能进行了分析研究,结果表明,设计的控制器能够保证卫星的稳定,满足设计指标要求.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 434-441. <br/><p>空间飞网是一种新型的空间碎片或漂浮物回收装置. 飞网抛射过程会对母体卫星产生较大的干扰,影响卫星的姿态稳定,因此需要设计具有抗干扰能力的控制律来保证卫星姿态的稳定. 针对空间飞网直接抛射展开过程,分析了影响飞网抛射效果的主要因素,并建立了飞网发射所产生的干扰力矩模型. 针对卫星的控制要求,建立了卫星姿态控制系统的模型,设计了滑模变结构控制器,并给出数学推导过程. 最后,通过仿真对姿态干扰及控制器控制性能进行了分析研究,结果表明,设计的控制器能够保证卫星的稳定,满足设计指标要求.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 434-441. 飞网抛射过程母卫星姿态干扰分析与姿态控制 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 434-441. article doi:10.6052/0459-1879-12-249 10.6052/0459-1879-12-249 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-249 434-441 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-240 <br/><p>基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport, SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST 方法. 湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正. 平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 442-446. <br/><p>基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport, SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST 方法. 湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正. 平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 442-446. 基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 442-446. article doi:10.6052/0459-1879-12-240 10.6052/0459-1879-12-240 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-240 442-446 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-217 <br/><p>基于Lord-Shulman非傅里叶热弹性模型,提出了采用修正的时域间断迦辽金有限元方法(time discontinuousGalerkin finite element method, DGFEM)求解方法. DGFEM对温度场、位移场基本未知向量及其时间导数向量在时域中分别插值;在最终的求解公式中,引入了人工阻尼. 数值结果显示所发展的DGFEM 较好地捕捉了波的间断并消除了热冲击作用下虚假的数值振荡,能够良好地模拟热弹性问题并具有较高的精度.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 447-450. <br/><p>基于Lord-Shulman非傅里叶热弹性模型,提出了采用修正的时域间断迦辽金有限元方法(time discontinuousGalerkin finite element method, DGFEM)求解方法. DGFEM对温度场、位移场基本未知向量及其时间导数向量在时域中分别插值;在最终的求解公式中,引入了人工阻尼. 数值结果显示所发展的DGFEM 较好地捕捉了波的间断并消除了热冲击作用下虚假的数值振荡,能够良好地模拟热弹性问题并具有较高的精度.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 447-450. 非傅里叶热弹性的时域间断迦辽金有限元方法 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 447-450. article doi:10.6052/0459-1879-12-217 10.6052/0459-1879-12-217 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-217 447-450 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-212 <br/><p>基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 451-455. <br/><p>基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 451-455. 一种考虑剪切作用的各向异性超弹性本构模型 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 451-455. article doi:10.6052/0459-1879-12-212 10.6052/0459-1879-12-212 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-212 451-455 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-326 <br/><p>复杂结构系统一般具有多个失效模式. 传统系统可靠性分析模型是在假设各失效模式相互独立的条件下建立的. 而在工程实际问题中,由于结构系统的组成单元之间紧密联系,系统的失效模式大多是相互耦合的. 简单地在失效模式相互独立的假设条件下进行系统可靠性分析与评价常常会导致过大的误差,甚至得出错误的结论. 提出一种相关失效模式结构系统可靠性分析方法. 利用降维法和Gauss-Hermite数值积分技术计算随机参数结构系统极限状态函数的统计矩,采用极限状态函数的前四阶累积量拟合其累积量生成函数,通过鞍点逼近方法拟合结构系统极限状态函数的概率密度函数和累积分布函数,进而获取结构系统的可靠度(或失效概率).数值算例表明该方法具有较高的计算精度和效率,通用性强.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 456-460. <br/><p>复杂结构系统一般具有多个失效模式. 传统系统可靠性分析模型是在假设各失效模式相互独立的条件下建立的. 而在工程实际问题中,由于结构系统的组成单元之间紧密联系,系统的失效模式大多是相互耦合的. 简单地在失效模式相互独立的假设条件下进行系统可靠性分析与评价常常会导致过大的误差,甚至得出错误的结论. 提出一种相关失效模式结构系统可靠性分析方法. 利用降维法和Gauss-Hermite数值积分技术计算随机参数结构系统极限状态函数的统计矩,采用极限状态函数的前四阶累积量拟合其累积量生成函数,通过鞍点逼近方法拟合结构系统极限状态函数的概率密度函数和累积分布函数,进而获取结构系统的可靠度(或失效概率).数值算例表明该方法具有较高的计算精度和效率,通用性强.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 456-460. 基于降维积分的结构系统可靠性分析研究 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 456-460. article doi:10.6052/0459-1879-12-326 10.6052/0459-1879-12-326 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-326 456-460 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-277 <br/><p>在经典Padé逼近理论的基础上进行了相应推广,提出了广义Padé逼近方法,并针对强非线性自治振子同宿轨的求解问题,利用双曲函数构造了一种新的广义Padé逼近式. 首先,该广义Padé逼近式有着较简单的泰勒展开式,与现有的Padé逼近式相比,在计算同阶逼近时,计算量更少;其次,该方法在强非线性时,依然有着较高的精度;第三,该方法并不局限于某些特定的系统,而是有着较广的适用范围. 因此对于广义Padé逼近方法的研究具有一定的实际意义和理论价值.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 461-464. <br/><p>在经典Padé逼近理论的基础上进行了相应推广,提出了广义Padé逼近方法,并针对强非线性自治振子同宿轨的求解问题,利用双曲函数构造了一种新的广义Padé逼近式. 首先,该广义Padé逼近式有着较简单的泰勒展开式,与现有的Padé逼近式相比,在计算同阶逼近时,计算量更少;其次,该方法在强非线性时,依然有着较高的精度;第三,该方法并不局限于某些特定的系统,而是有着较广的适用范围. 因此对于广义Padé逼近方法的研究具有一定的实际意义和理论价值.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 461-464. 求强非线性自治振子同宿轨的广义Padé逼近方法 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 461-464. article doi:10.6052/0459-1879-12-277 10.6052/0459-1879-12-277 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-12-277 461-464 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-13-134 <br/><p>介绍了2013年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金项目、国家杰出青年科学基金项目和海外及港澳学者合作研究基金项目的申请情况.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 465-466. <br/><p>介绍了2013年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金项目、国家杰出青年科学基金项目和海外及港澳学者合作研究基金项目的申请情况.</p> <br/>力学学报. 2013 45(3): 465-466. 2013年度力学科学处基金项目受理情况介绍 Personal use only, all commercial or other reuse prohibited . 2013 45(3): 465-466. article doi:10.6052/0459-1879-13-134 10.6052/0459-1879-13-134 力学学报 45 3 https://lxxb.www.cn100led.com/article/doi/10.6052/0459-1879-13-134 465-466

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