CN115575264A - 一种长持时的***波模拟装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的长持时的***波模拟装置,设置于预先挖出的基坑内,包括:由钢纤维混凝土浇筑的剪力墙体围成的***荷载发生室、开设于剪力墙体的水平分布的槽道、滑动连接于所述槽道的防护盖板以及用于起吊所述防护盖板的驱动机构,所述槽道与***荷载发生室的上端口齐平,驱动机构滑动连接于剪力墙体上,在起吊防护盖板时带动防护盖板沿槽道运动,将***荷载发生室的上端口开启或封闭。有益效果:采用结构设计、均布装药、特殊封堵等关键技术,大大延长了爆坑试验段***冲击波的正压持续作用时间,且结构形式采用大尺寸矩形结构设计,能够实现大尺寸防护结构抗核***冲击波的模拟,较好地解决了核***冲击波模拟的难题。
Description
技术领域:
本发明涉及***及工程防护技术领域,尤其涉及一种长持时、大尺寸的***波模拟装置。
背景技术:
冲击波作为武器弹药攻击和偶然性***的重要毁伤元,是武器研发、作战防护、公共安全与防灾减灾领域的基础性研究问题。***产生的冲击波是***毁伤中最主要的手段,而利用试验室技术实现***冲击波模拟是其中重点研究的内容之一。进入21世纪以后,随着小型核武器、巨型弹、温压弹、含铝***等新型高能弹药带来的新爆轰模式不断出现,这些新型武器都存在一个共同的特征,即***冲击波正压作用时间显著增长,对应的毁伤机理发生了显著变化。
目前,限于试验装置和试验条件,针对大尺寸的长持时长持时的***波模拟装置一直是个难题。传统的长持时的***波模拟装置大多采用圆柱体或球体结构,普遍尺寸小,并且能模拟空气冲击波作用,缺乏对多种介质***冲击环境的模拟。现有极少量的大尺寸长持时的***波模拟装置采用堆载实现密闭和长持时,但过多的堆载需要花费很长时间,使试验效率低,同时,高强***冲击波会往往会将堆载顶起,导致泄爆,使冲击波压力峰值受限,且压力不稳,冲击波持续时间低,目前模拟冲击波持续时间只能达到十几毫秒。
发明内容:
本发明目的在于针对现有长持时的***波模拟装置和试验技术的不足,提供了一种用于模拟复杂介质中长作用时间的大尺寸***波加载装置,可以完成约束空间内(半封闭空间、封闭矩形空间)空气和岩土介质中***平面冲击波、球面冲击波传播及分布规律、抗爆结构设备及地下防护工事***毁伤规律试验研究,具体由以下技术方案实现:
所述长持时的***波模拟装置,设置于预先挖出并设有地基的基坑内,包括:试验介质、用于安放爆源的爆源安放体、用于承受***波冲击的受爆体、用于支承受爆体的基座、由钢纤维混凝土浇筑的剪力墙体围成的***荷载发生室、设于剪力墙体上端的水平分布的槽道、可沿槽道水平移动的防护盖板以及设于剪力墙体顶端用于吊移防护盖板并的驱动机构,所述槽道为约束防护盖板垂直方向自由度的结构,所述基座设置在***荷载发生室底部,试验介质全部包覆或部分包覆受爆体,爆源安放体置于***荷载发生室内并处于受爆体上方,驱动机构可拆卸地吊接防护盖板,推移防护盖板沿槽道方向移动,使防护盖板封盖在***荷载发生室的上端口,或使封盖在***荷载发生室上端口的防护盖板开启。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,所述爆源安放体至少包括一组安放单元,每一安放单元包括钢丝与两支架,所述两支架安装于剪力墙体上,所述钢丝连接在该两支架间,爆源为均匀布置于钢丝上的导爆索或捆绑在钢丝上的药柱。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,***荷载发生室内根据试验的需求在试验介质或受爆体上设置传感器,剪力墙体上预留有供传感器数据传输线缆通过的通孔。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,所述槽道至少由平行设置的上约束面和下支撑面组成,上约束面和下支撑面之间形成槽高,该槽高大于防护盖板厚度,所述下支撑面上铺设有用于提高平整度和抗冲击性能的钢板。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,所述槽道的长度大于***荷载发生室的宽度为防护盖板的运动预留空间。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,还包括橡胶垫块,所述防护盖板封盖在***荷载发生室的上端口时,防护盖板封盖与槽道上壁之间形成间隙,该间隙用所述橡胶垫块填塞。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,还包括一防止橡胶垫块从槽道移出的支撑单元,所述支撑单元包括支撑梁、挡边以及连接件,四根挡边围成一个矩形并与槽道内的胶垫块相抵,所述支撑梁为三根由一根长梁与两根短梁组成,一组平行设置的挡边通过所述长梁相连,长梁的两端与对应端一侧的挡边通过连接件实现可拆卸地连接,两根短梁的两端通过连接件分别与挡边和长梁实现可拆卸连接,四根挡边与三根支撑梁形成田字形的布局。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,所述驱动机构包括滑轨、行架和液压杆,多个液压杆的一端分别连接在行架上,另一端分别用于吊接防护盖板,两滑轨设置在***荷载发生室宽度或长度方向的对应剪力墙体的顶端,并长于***荷载发生室宽度或长度而同向一侧伸出,行架对应于两滑轨处分别设有若干滚轮,并通过滚轮滑动连接在滑轨上。
所述长持时的***波模拟装置的进一步设计在于,所述多个液压杆的另一端设有吊钩,防护盖板对应于多个液压杆位置分别设有吊环,通过吊钩勾接吊环实现驱动机构可拆卸的吊接防护盖板。
本发明还提供了一种采用所述长持时的***波模拟装置的试验方法,具体为:根据试验的类型对试验介质、爆源以及爆源分别进行如下设置:
试验介质的设置:将试验介质全部或部分挖出,以模拟矩形建筑内***效应;针对直接面临***冲击波作用的受爆体或地下受爆体,根据试验需要将试验介质全部或部分挖出,将地下受爆体放置在***荷载发生室底部的支撑基座上,以调节受爆体达到设定高度,在受爆体上安装完传感器后,将试验介质回填到与受爆体上表面平齐或设定高度;新型含能材料***毁伤元传播规律试验:以爆心位置为原点建立空间坐标系,根据模拟空间具体要求调整试验介质回填至设定高度,将壁面压力传感器通过受爆体埋在试验介质中,将自由场传感器安装在设于试验介质上的专用支架上,分布在x轴负方向夹角165°-270°的范围内,将准静态压力传感器布置在x轴负方向夹角270°方向的试验介质上;
防护盖板的设置:在模拟半密闭环境***冲击波的试验时,将盖板部分或全部打开,以模拟不同半封闭空间***毁伤效应;在模拟密闭环境***冲击波的试验时,将盖板完全封闭;
爆源的设置:在模拟***平面波的试验时,将导爆索均匀地布设在钢丝上,并通过调节导爆索与受爆体表面的间距和导爆索的长度,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值,导爆索距离受爆体表面的高度保持在60cm以上;在模拟***球面波的试验时,将两根钢丝对拉在设定的支架位置,再将压制好的药柱绑在钢丝交叉处,同时通过调节药柱与受爆体的间距,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值。
本发明的优点:
本发明的长持时的***波模拟装置采用爆源***产生的冲击波和爆生气体作用于受爆体,***后产生的高压气体不能迅速泄放出去,在受限空间中充满整个空腔,形成较均匀的***压力荷载作用于结构,采用结构设计、均布装药、特殊封堵等关键技术,大大延长了爆坑试验段冲击波的正压持续时间,能够实现核***冲击波的模拟,较好地解决了核***冲击波模拟的难题。
附图说明:
图1为本发明长持时的***波模拟装置的结构示意图。
图2为装配式支撑单元与橡胶垫块的位置关系示意图。
图3为长持时的***波模拟装置的剖视简易示意图。
图4为滑轨的结构示意图。
图5为防护盖板的配筋及吊环示意图。
图6为地下坑道结构抗模拟核爆试验中土压力传感布设示意图。
图7为本发明长持时的***波模拟装置的典型冲击波压力曲线示意图。
图8为新型含能材料***毁伤元传播规律研究试验中传感器的位置示意图。
图9为本发明长持时的***波模拟装置的爆心示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1,本实施例的长持时的***波模拟装置主要由***荷载发生室1、槽道4、防护盖板3以及驱动机构5组成;***荷载发生室1建筑在预先挖出的基坑内的地基上,由采用800mm厚C60钢纤维混凝土整体现浇的剪力墙体11围成;***荷载发生室槽道4开设于剪力墙体11中两平行墙体的上端内侧面上,水平分布;防护盖板3可拆卸的吊接在驱动机构5上,并在吊接状态下受到驱动机构5的驱动而沿槽道4移动,在需要做***波模拟试验时,驱动机构5驱动防护盖板3至***荷载发生室上端口,并脱开与防护盖板3的吊接,防护盖板3 通过自重较好地封盖在***荷载发生室上端口;在需要开启防护盖板3时,驱动机构5与防护盖板3的进行吊接,并由驱动机构5驱动防护盖板3,使其移出***荷载发生室上端口。槽道4为约束防护盖板垂直方向自由度的结构,在防护盖板受到自***荷载发生室的模拟***的冲击波时,制约防护盖板3脱开***荷载发生室的上端口。
如图3,本实施例的***荷载发生室1内设有基座13、受爆体12、试验介质2以及用于承载爆源的爆源安放装置14。基座13位于***荷载发生室1底部的中部位置,受爆体12设置于基座13上。基座13与受爆体12的周围包裹有试验介质2,试验介质2的上端面与受爆体12的上端面齐平。爆源安放装置14架设于剪力墙体10间,通过调节爆源安放装置14与受爆体12的间距以改变作用于受爆体12上的***冲击波超压峰值。根据试验要求,通过回填不同试验介质 2,如标准石英砂,也可以选用人工混凝土等介质材料模拟地下围岩介质,来模拟冲击波在不同介质材料中的传播规律及对结构的相互作用。试验介质2根据实验研究要求,可以实现3.2m及以下净空高度。本实施例的***荷载发生室1采用筏板基础,结构基础垫层采用C20钢纤维混凝土,体积比5%,抗渗等级P6,***荷载发生室1墙体周围1m范围回填粗砂。
本实施例的爆源安放装置包括支架与钢丝,支架安装于剪力墙体上,钢丝连接在支架间,参见图3。考虑到不同类型的***波模拟实验(以平面波、球面波为例),本实施例的爆源为均匀布置于钢丝14上的导爆索(作为平面波的爆源) 或捆绑在钢丝14上的药柱(作为球面波的爆源)。
***荷载发生室1内根据试验的需求在试验介质或受爆体上设置传感器。传感器包括:准净水压力的***冲击波壁面压力传感器、高频***冲击波壁面压力传感器、温度传感器、土压力传感器(以图6中坑道结构抗核爆试验的设置方式进行示意)、准静态压力传感器(以图7中土体浅埋地下坑道***试验进行示意)、结构动力响应加速度以及变形以及位移监测传感器(各类传感器均匹配有基座和支架)。剪力墙体上预留有供传感器数据传输线缆通过的通孔,本实施例的通孔为剪力墙体预留的4个直径50mm的孔道。
本实施例的防护盖板采用C120高强钢筋混凝,同时掺和体积比2%的钢纤维,为提高防护盖板的整体抗爆性能,采用20mm厚高强钢板包覆内部钢筋混凝土,盖板整体厚度达到300mm,内部钢筋混凝土参见图5。图5中,用于与驱动机构 5连接的吊环31为预埋件,吊环33也为预埋件便于工厂起吊和运输;钢肋条33 为防护盖板3起到局部加强的作用。
槽道4的内表面上铺设有用于提高平整度和抗冲击性能的钢板,槽道的槽宽 (槽宽指槽内两侧壁的间距)为防护盖板厚度的1.2倍至1.5倍,本实施例中槽道4为剪力墙体内凹200mm宽400mm高的矩形槽,槽道的槽宽与防护盖板厚度的比例为1.33倍。本实施例槽道的长度大于***荷载发生室的宽度为防护盖板的运动预留空间。并且在槽深方向上,相对于防护盖板的每一侧各预留5cm,若预留的距离太大增加悬梁的受力,并增加密封难度,降低密封效果,预留的距离太小则影响盖板的移动。
***荷载发生室上方端口处于封闭状态时,槽道内与防护盖板间的缝隙填充有橡胶垫块,本实施例的橡胶垫块采用宽200mm、厚100mm、长度1500mm韧性高、弹性好的厚橡胶垫作为预制块,用来封堵***时爆生气体的泄放,同时也起到缓冲***冲击后防护盖板3对滑槽4的冲击。
为了更好地配合橡胶垫块封堵***时爆生气体的泄放,本实施例的长持时的***波模拟装置还包括一装配式支撑单元8,装配式支撑单元8铺设于防护盖板上与橡胶垫块相抵限制橡胶垫块从槽道脱出,进一步加强垫块的密封效果,增加***冲击波正压作用时间。如图2,本实施例的装配式支撑单元8主要由支撑梁 81(一根长的,两根短的)、挡边82以及连接件83,四根挡边82围成一个矩形并与槽道内的胶垫块7相抵,一组平行设置的挡边82通过较长的支撑梁81相连,支撑梁81与挡边82通过连接件83实现可拆卸地连接,另外两根较短的支撑梁 81通过连接件83分别与挡边82和较长的支撑梁实现可拆卸连接,四根挡边与三根支撑梁形成田字形的布局,参见图2。本实施例中,挡边与支撑梁均采用方钢,连接件为设置于挡边与支撑梁上的含有通孔的连接耳以及穿接于连接耳的销轴,本发明的技术方案的连接件还可以采用螺栓组件进行替换,且为本领域技术人员的惯用技术手段在此不再赘述。
本实施例的驱动机构主要由滑轨9、行架51和四根液压杆52组成。四根液压杆52的一端分别连接在行架51上,另一端分别用于吊接防护盖板3。两滑轨 9设置在***荷载发生室宽度1或长度方向的对应剪力墙体的顶端,并长于***荷载发生室宽度或长度而同向一侧伸出。行架51对应于两滑轨处分别设有若干滚轮,并通过滚轮滑动连接在滑轨上,滚轮通过电机驱动转动。如图4,为了限定驱动机构5的运动范围,在滑轨9两侧设置限位装置91以保障安全。剪力墙体上设有预埋钢构件92,滑轨9焊接有钢垫块93,滑轨9通过预埋钢构件92与钢垫块93焊接实现与剪力墙体牢固连接。四根液压杆的另一端设有吊钩,通过吊钩勾接吊环31实现驱动机构可拆卸的吊接防护盖板。
本发明还提供了一种采用长持时的***波模拟装置的试验方法,在模拟***平面波的试验时,爆源设置为:将导爆索均匀地布设在钢丝上,并通过调节导爆索与受爆体表面的间距和导爆索的长度,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值,导爆索距离结构表面的高度保持在60cm以上;在模拟***球面波的试验时,爆源设置为:将两根钢丝对拉在设定的支架位置,再将压制好的药柱绑在钢丝交叉处,同时通过调节药柱与受爆体的间距,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值;在模拟半密闭环境***冲击波的试验时,将盖板部分或全部打开,模拟不同半封闭空间***毁伤效应;在模拟密闭环境***冲击波的试验时,将盖板完全封闭,具体本实施例提供三个试验示例:
试验1针对***平面波(平面装药)模拟试验方法:试验时根据研究对象和研究方案需要,可将内部回填材料全部或部分挖出,进而模拟密闭矩形建筑内 (4.3m×4.3m×3.2m)内***效应。可研究受爆体、设备及地下防护工事抗不同当量***冲击波效应。
针对直接抗空气中***冲击波作用结构,根据结构高度调节沙坑的深度,将沙坑的上表面与结构的上表面调整在同一水平线,并将传感器布设在结构响应位置;针对地下防护工事,需要将砂子挖出,将地下防护工事模型放置在装置底部,两侧口部采用1.5cm厚钢板进行封堵,安装完传感器后,将砂子回填到指定高度。
受爆体放置完成后,进行爆源的布设。为了模拟平面***波作用,采用5g/m 的导爆索均匀的布设在钢丝上,同时调节钢丝(导爆索)距离抗爆结构表面的高度和导爆索的长度,来实现作用在结构上的***冲击波超压峰值的调节,导爆索距离结构表面的高度要保持在60cm以上。
采用导爆索***产生的冲击波和爆生气体作用于受爆体,***后产生的高压气体不能迅速泄放出去,在受限空间中充满整个空腔,形成较均匀的***压力荷载作用于结构,采用结构设计、均布装药、特殊封堵等关键技术,大大延长了爆坑试验段冲击波的正压持续时间(参见图7),能够实现核***冲击波的模拟,较好地解决了核***冲击波模拟的难题。
试验2针对密闭空间集中装药产生的***球面波模拟试验方法:根据研究对象和研究方案需要,可将内部回填砂子全部或部分挖出,进而模拟密闭矩形空间内***效应。
受爆体布设具体方法同试验1,针对***球面波,该装置可满足1kg当量TNT 及以下***的***冲击。将两根钢丝对拉在设定位置,之后将压制好的药柱绑在钢丝交叉处,同时调节药柱距离抗爆结构表面的高度,来实现作用在结构上的***冲击波超压峰值的调节。
试验3针对半密闭环境***冲击波的模拟试验方法:主要针对特殊环境中集中装药产生的球面***冲击波模拟,通过将盖板部分或全部打开,模拟不同半封闭空间***毁伤效应。具体步骤与试验2一致。
试验4新型含能材料***毁伤元传播规律研究(试验介质以石英砂为例):根据模拟空间具体要求调整石英砂回填至设定高度,爆心距离石英砂表面高度h,本实施例中h设定为1000mm,并根据图8设置传感器具体为:将壁面压力传感器通过受爆体埋在爆坑内的沙层中,分布在距爆心40-240cm的范围内,相邻传感器分布在x轴负方向夹角0°和45°方向上,距离爆心的距离差为40cm;自由场传感器安装在专用的支架上,分布在x轴负方向(原点与爆心位置重合)夹角165°-270°的范围内,由于自由场传感器的体积较大,因此,为防止传感器本身对流场的影响,不能全部分布在同一条线上。自由场传感器的高度为1m,距离爆心最近的传感器为80cm,分布在80-240cm的范围内,相邻两传感器的爆心距差值为40cm;将两只准静态压力传感器布置在x轴负方向夹角270°的方向上,爆心距分别为120cm和200cm;将0.4mm的铂铑热电偶温度传感器(高度为1m)布置在x轴负方向夹角90°方向上,距离爆心分别为80cm和120cm。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种长持时的***波模拟装置,设置于预先挖出并设有地基的基坑内,其特征在于,包括:试验介质、用于安放爆源的爆源安放体、用于承受***波冲击的受爆体、用于支承受爆体的基座、由钢纤维混凝土浇筑的剪力墙体围成的***荷载发生室、设于剪力墙体上端的水平分布的槽道、可沿槽道水平移动的防护盖板以及设于剪力墙体顶端用于吊移防护盖板并的驱动机构,所述槽道为约束防护盖板垂直方向自由度的结构,所述基座设置在***荷载发生室底部,试验介质全部包覆或部分包覆受爆体,爆源安放体置于***荷载发生室内并处于受爆体上方,驱动机构可拆卸地吊接防护盖板,推移防护盖板沿槽道方向移动,使防护盖板封盖在***荷载发生室的上端口,或使封盖在***荷载发生室上端口的防护盖板开启。
2.根据权利要求1所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,所述爆源安放体至少包括一组安放单元,每一安放单元包括钢丝与两支架,所述两支架安装于剪力墙体上,所述钢丝连接在该两支架间,爆源为均匀布置于钢丝上的导爆索或捆绑在钢丝上的药柱。
3.根据权利要求1所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,***荷载发生室内根据试验的需求在试验介质或受爆体上设置传感器,剪力墙体上预留有供传感器数据传输线缆通过的通孔。
4.根据权利要求1所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,所述槽道至少由平行设置的上约束面和下支撑面组成,上约束面和下支撑面之间形成槽高,该槽高大于防护盖板厚度,所述下支撑面上铺设有用于提高平整度和抗冲击性能的钢板。
5.根据权利要求1所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,所述槽道的长度大于***荷载发生室的宽度为防护盖板的运动预留空间。
6.根据权利要求5所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,还包括橡胶垫块,所述防护盖板封盖在***荷载发生室的上端口时,防护盖板封盖与槽道上壁之间形成间隙,该间隙用所述橡胶垫块填塞。
7.根据权利要求6所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,还包括一防止橡胶垫块从槽道移出的支撑单元,所述支撑单元包括支撑梁、挡边以及连接件,四根挡边围成一个矩形并与槽道内的胶垫块相抵,所述支撑梁为三根由一根长梁与两根短梁组成,一组平行设置的挡边通过所述长梁相连,长梁的两端与对应端一侧的挡边通过连接件实现可拆卸地连接,两根短梁的两端通过连接件分别与挡边和长梁实现可拆卸连接,四根挡边与三根支撑梁形成田字形的布局。
8.根据权利要求1所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,所述驱动机构包括滑轨、行架和液压杆,多个液压杆的一端分别连接在行架上,另一端分别用于吊接防护盖板,两滑轨设置在***荷载发生室宽度或长度方向的对应剪力墙体的顶端,并长于***荷载发生室宽度或长度而同向一侧伸出,行架对应于两滑轨处分别设有若干滚轮,并通过滚轮滑动连接在滑轨上。
9.根据权利要求8所述的长持时的***波模拟装置,其特征在于,所述多个液压杆的另一端设有吊钩,防护盖板对应于多个液压杆位置分别设有吊环,通过吊钩勾接吊环实现驱动机构可拆卸的吊接防护盖板。
10.采用如权利要求1-9任一项所述的长持时的***波模拟装置的试验方法,其特征在于,根据试验的类型对试验介质、爆源以及爆源分别进行如下设置:
试验介质的设置:将试验介质全部或部分挖出,以模拟矩形建筑内***效应;针对直接面临***冲击波作用的受爆体或地下受爆体,根据试验需要将试验介质全部或部分挖出,将地下受爆体放置在***荷载发生室底部的支撑基座上,以调节受爆体达到设定高度,在受爆体上安装完传感器后,将试验介质回填到与受爆体上表面平齐或设定高度;新型含能材料***毁伤元传播规律试验:以爆心位置为原点建立空间坐标系,根据模拟空间具体要求调整试验介质回填至设定高度,将壁面压力传感器通过受爆体埋在试验介质中,将自由场传感器安装在设于试验介质上的专用支架上,分布在x轴负方向夹角165°-270°的范围内,将准静态压力传感器布置在x轴负方向夹角270°方向的试验介质上;
防护盖板的设置:在模拟半密闭环境***冲击波的试验时,将盖板部分或全部打开,以模拟不同半封闭空间***毁伤效应;在模拟密闭环境***冲击波的试验时,将盖板完全封闭;
爆源的设置:在模拟***平面波的试验时,将导爆索均匀地布设在钢丝上,并通过调节导爆索与受爆体表面的间距和导爆索的长度,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值,导爆索距离受爆体表面的高度保持在60cm以上;在模拟***球面波的试验时,将两根钢丝对拉在设定的支架位置,再将压制好的药柱绑在钢丝交叉处,同时通过调节药柱与受爆体的间距,以调节作用在受爆体上的***冲击波超压峰值。
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