弹性力学基本概念和考点汇总#(精选.)
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基本概念:
(1) 面力、体力与应力、应变、位移的概念及正负号规定 (2) 切应力互等定理:
作用在两个互相垂直的面上,并且垂直于改两面交线的切应力是互等的(大小相等,正负号也相同)。
(3) 弹性力学的基本假定:
连续性、完全弹性、均匀性、各向同性和小变形。
(4) 平面应力与平面应变;
设有很薄的等厚度薄板,只在板边上受有平行于板面并且不沿厚度变化的面力或约束。
同时,体力也平行与板面并且不沿厚度方向变化。
这时,
0,0,0z zx zy σττ===,由切应力互等,0,0,0z xz yz σττ===,这样只剩下平行于xy 面的三个平面应力分量,即,,x y xy yx σσττ=,所以这种问题称为平面应力问题。
设有很长的柱形体,它的横截面不沿长度变化,在柱面上受有平行于横截面且不沿长度变化的面力或约束,同时,体力也平行于横截面且不沿长度变化,由对称性可知,0,0zx zy ττ==,根据切应力互等,0,0xz yz ττ==。
由胡克定律,
0,0zx zy γγ==,又由于z 方向的位移w 处处为零,即0z ε=。
因此,只剩下平行于xy 面的三个应变分量,即,,x y xy εεγ,所以这种问题习惯上称为平面应变问题。
(5) 一点的应力状态;
过一个点所有平面上应力情况的集合,称为一点的应力状态。
(6) 圣维南原理;(提边界条件)
如果把物体的一小部分边界上的面力,变换为分布不同但静力等效的面力(主失相同,主矩也相同),那么,近处的应力分布将有显著的改变,但是远处所受到的影响可以忽略不计。
(7) 轴对称;
在空间问题中,如果弹性体的几何形状、约束情况,以及所受的外力作用,都是对称于某一轴(通过该轴的任一平面都是对称面),则所有的应力、变形和位移也就对称于这一轴。
这种问题称为空间轴对称问题。
一、 平衡微分方程:
(1) 平面问题的平衡微分方程;
00yx
x x xy y
y f x y
f x y
τστσ∂∂++=∂∂∂∂++=∂∂(记)
(2) 平面问题的平衡微分方程(极坐标);
10210f f ρρϕρϕ
ρϕρϕρϕ
ϕ∂σ∂τσσ∂ρρ∂ϕρ
∂σ∂ττρ∂ϕ∂ρρ
-+++=+++=
1、平衡方程仅反映物体内部的平衡,当应力分量满足平衡方程,则物体内部是平衡的。
2、平衡方程也反映了应力分量与体力(自重或惯性力)的关系。
二、 几何方程;
(1) 平面问题的几何方程;
x y xy u
x v y v u x y
εεγ∂=
∂∂=∂∂∂=+
∂∂(记)
(2) 平面问题的几何方程(极坐标);
1212
121u
u v v u v ρρρϕϕϕρϕρϕρϕεεερ
εεερρ∂ϕ
γγγρρϕρ
∂=+=∂∂=+=+
∂∂=+=
+-∂∂
1、几何方程反映了位移和应变之间的关系。
2、当位移完全确定时,应变也确定;反之,当应变完全确定时,位移并不能确定。
(刚体位移) 三、 物理方程;
(1) 平面应力的物理方程;
()()()1
1
21x x y y y x xy xy
E E
E
εσμσεσμσμγτ=
-=-+=(记)
(2) 平面应变的物理方程;
()22111121x x
y y y
x xy
xy
E E E
μμ
εσσμμμεσσμμγτ⎛⎫-=- ⎪-⎝⎭⎛⎫-=- ⎪-⎝⎭
+= (3) 极坐标的物理方程(平面应力);
1
()1
()12(1)E E G E
ρρϕϕϕρρϕρϕρϕ
εσνσεσνσνγττ=
-=-+==
(4) 极坐标的物理方程(平面应变);
221()
11()12(1)E E E
ρρϕϕϕρρϕρϕ
μμεσσμμμεσσμμγτ-=---=--+=
四、 边界条件; (1) 几何边界条件;
平面问题:()()
()()
s s u u s v v v == 在u s 上;
(2) 应力边界条件;
平面问题:
()()x
yx x
s
xy
y y
s
l m f l m f σ
ττ
σ+=+=(记)
(3) 接触条件;
光滑接触:()()n n
σσ'= n 为接触面的法线方向 非光滑接触:()()
()()
n n n n u u σσ'='= n 为接触面的法线方向
(4) 位移单值条件;
()()2u u θπθ+=
(5) 对称性条件:
在空间问题中,如果弹性体的几何形状、约束情况,以及所受的外力作用,都是对称于某一轴(通过该轴的任一平面都是对称面),则所有的应力、变形和位移也就对称于这一轴。
这种问题称为空间轴对称问题。
一﹑概念
1.弹性力学,也称弹性理论,是固体力学学科的一个分支。
2.固体力学包括理论力学、材料力学、结构力学、塑性力学、振动理论、断裂力学、复合材料力学。
3基本任务:研究由于受外力、边界约束或温度改变等原因,在弹性体内部所产生的应力、形变和位移及其分布情况等。
.
4研究对象是完全弹性体,包括杆件、板和三维弹性体,比材料力学和结构力学的研究范围更为广泛
5.弹性力学基本方法:差分法、变分法、有限元法、实验法.
6弹性力学研究问题,在弹性体内严格考虑静力学、几何学和物理学 三方面条件,在边界上考虑边界条件,求解微分方程得出较精确的解答;.
7.弹性力学中的基本假定:连续性、完全弹性、均匀性、各向同性、小变形假定。
8.几何方程反映的是形变分量与位移分量之间的关系。
9.物理方程反映的是应力分量与形变分量之间的关系。
10.平衡微分方程反映的是应力分量与体力分量之间的关系。
11当物体的位移分量完全确定时,形变分量即完全确定。
反之,当形变分量完全确定时,位移分量却不能完全确定。
12.边界条件表示在边界上位移与约束、或应力与面力之间的关系式。
它可以分为位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件。
13.圣维南原理主要内容:如果把物体表面一小部分边界上作用的外力力系,变换为分布不同但静力等效的力系(主失量相同,对同一点的主矩也相同),那么只在作用边界近处的应力有显著的改变,而在距离外力作用点较远处,其影响可以忽略不计。
14. 圣维南原理的推广:如果物体一小部分边界上的面力是一个平衡力系(主失量和主矩都等于零),那么,这个面力就只会使近处产生显著的应力,而远处的应力可以不计。
这是因为主失量和主矩都等于零的面力,与无面力状态是静力等效的,只能在近处产生显著的应力。
15.求解平面问题的两种基本方法:位移法、应力法。
16.弹性力学的基本原理:解的唯一性原理﹑解的叠加原理﹑圣维南原理。
会推导两种平衡微分方程
17.逆解法步骤:(1)先假设一满足相容方程(2-25)的应力函数 (2)由式(2-24),根据应力函数求得应力分量
(3)在确定的坐标系下,考察具有确定的几何尺寸和形状的弹性体,根据主
要边界上的面力边界条件(2-15)或次要边界上的积分边界条件, 分析这些应力分量对应于边界上什么样的面力,从而得知所选取的应力函数可以解决什么样的问题。
(或者根据已知面力确定应力函数或应力分量表达式中的待定系数
18.半逆解法步骤:(1)对于给定的弹性力学问题,根据弹性体的几何形状、受力特征和变形
的特点或已知的一些简单结论,如材料力学得到的初等结论,假设部分或全部应力分量的函数形式
(2)按式(2-24),由应力推出应力函数f 的一般形式(含待定函数项); (3)将应力函数f 代入相容方程进行校核,进而求得应力函数f 的具体表达形式;
(4)将应力函数f 代入式(2-24),由应力函数求得应力分量
(5)根据边界条件确定未知函数中的待定系数;考察应力分量是否满足全
5.平面问题的应力边界条件为
7.圣维南原理的三个积分式
如果给出单位宽度上面力的主矢量和主矩,则三个积分边界条件变为 8.艾里应力函数
)()()
()(s f m l s f m l y s y xy x s xy x =+=+σττσ⎰
⎰
⎰
⎰⎰
⎰--±=--±=--±=⋅±=⋅⋅±=⋅⋅±=⋅2
/2
/2/2/2
/2/2/2/2/2
/2/2/1
)(1)
(1
)(1)
(1
)(1)(h h y h h l
x xy h h x
h h l x x h h x
h h l x x dy y f dy ydy y f ydy dy y f dy τσσs
h h l x xy h h l x x N h h l x x F dy M ydy F dy =⋅=⋅=⋅⎰
⎰⎰-=-=-=2
/2
/2
/2/2
/2/1)(1)(1)(τσσy
x y x y f x y x x f y y x xy
y y x x ∂∂∂-
=-∂∂=-∂∂=)
,(,),(,),(22
2
22φτφσφσ填空 计 算 理 解
计算
一、单项选择题(按题意将正确答案的编号填在括弧中,每小题2分,共10分)
1、弹性力学建立的基本方程多是偏微分方程,还必须结合( C )求解这些微分方程,以求得具体问题的应力、应变、位移。
A .相容方程
B .近似方法
C .边界条件
D .附加假定
2、根据圣维南原理,作用在物体一小部分边界上的力系可以用( B )
的力系代替,则仅在近处应力分布有改变,而在远处所受的影响可以不计。
A .几何上等效
B .静力上等效
C .平衡
D .任意 3、弹性力学平面问题的求解中,平面应力问题与平面应变问题的三类基本方程不完全相同,其比较关系为( B )。
A .平衡方程、几何方程、物理方程完全相同
B .平衡方程、几何方程相同,物理方程不同
C .平衡方程、物理方程相同,几何方程不同
D .平衡方程相同,物理方程、几何方程不同
在研究方法方面:材力考虑有限体ΔV 的平衡,结果是近似的;弹力考虑微分体dV 的平,结果比较精确。
4、常体力情况下,用应力函数表示的相容方程形式为024422444=∂∂+∂∂∂+∂∂y
Φ
y x Φx Φ,
6、设有函数⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=Φh y h y qy h y h y qx 332332251344, (1)判断该函数可否作为应力函数?(3分)
(2)选择该函数为应力函数时,考察其在图中所示的矩形板和坐标系(见题九图)中能解决什么问题(l >>h )。
(15分)
解:
(1)将φ代入相容方程024422444=∂∂+∂∂∂+∂∂y
Φ
y x Φx Φ,显然满足。
因此,该函数可以作为
应力函数。
(2)应力分量的表达式:
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--=∂∂Φ∂-=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+-=∂Φ∂=-+=∂Φ∂=2
23233223
33222461342,3346y h h qx y x h y
h y q x h qy h qy h y qx y xy y x τσσ
考察边界条件:在主要边界y =±h/2上,应精确满足应力边界条件
()q h y h y q h
y h
y y -=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-+-=-=-=2
332
1342σ ()
013422
332
=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-===h
y h
y y h y h y q σ ()
0462
2232
=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=±=±=h
y h
y xy y h h qx τ 在次要边界x =0上,应用圣维南原理,可列出三个积分的应力边界条件:
())(0
3342
/2/3302
/2/奇函数=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=⎰⎰-=-dy h qy h qy dy h h x h h x σ
()0
3342
/2/3302
/2/=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=⎰⎰-=-ydy h qy h qy ydy h h x h h x σ
()
2/2
/==-⎰dy x h h xy
τ
在次要边界x =l 上,应用圣维南原理,可列出三个积分的应力边界条件:
())(0
33462
/2/33322
/2/奇函数=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+-=⎰⎰-=-dy h qy h qy h y ql dy h h l x h h x σ
()233462
/2/33322
/2/ql ydy h qy h qy h y ql ydy h h l x h h x -=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+-=⎰⎰-=-σ
()ql y h h ql dy h h l x h h xy -=⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛--=⎰⎰-=-2
/2/2232
/2/46τ
对于如图所示的矩形板和坐标系,结合边界上面力与应力的关系,当板内发
生上述应力时,由主边界和次边界上的应力边界条件可知,左边、下边无面力;而上边界上受有向下的均布压力;右边界上有按线性变化的水平面力合成为一力偶和铅直面力。
所以,能够解决右端为固定端约束的悬臂梁在上边界受均布荷载q 的问题。
2009 ~ 2010学年第 二 学期期末考试试卷 ( A )卷
一. 名词解释(共10分,每小题5分)
1. 弹性力学:研究弹性体由于受外力作用或温度改变等原因而发生的应力、应变和位移。
2. 圣维南原理:如果把物体的一小部分边界上的面力,变换为分布不同但静力等效的面力(主矢量相同,对于同一点的主矩也相同),那么近处的应力分布将有显著的改变,但是远处所受的影响可以不计。
应力符号的规定为: 正面正向、负面负向为正,反之为负 。
4. 弹性力学中,正面是指 外法向方向沿坐标轴正向 的面,负面是指 外法向方向沿坐标轴负向 的面 。
1. (8分)弹性力学平面问题包括哪两类问题?分别对应哪类弹性体?两类平面问题各有
哪些特征? 答:弹性力学平面问题包括平面应力问题和平面应变问题两类,两类问题分别对应的弹性体和特征分别为:
平面应力问题:所对应的弹性体主要为等厚薄板,其特征是:面力、体力的作用面平行于xy 平面,外力沿板厚均匀分布,只有平面应力分量x σ,y σ,xy τ存在,且仅为x,y 的函数。
平面应变问题:所对应的弹性体主要为长截面柱体,其特征为:面力、体力的作用面平行于xy 平面,外力沿z 轴无变化,只有平面应变分量x ε,y ε,xy γ存在,且仅为x,y 的函数。
2. (8分)常体力情况下,按应力求解平面问题可进一步简化为按应力函数Φ求解,应力
函数Φ必须满足哪些条件?
答:(1)相容方程:04
=Φ∇
(2)应力边界条件(假定全部为应力边界条件,σs s =):
()()()上在στστσs s f l m f m l y
s xy y x s yx x =⎪⎩⎪⎨⎧=+=+
(3)若为多连体,还须满足位移单值条件。
二. 问答题(36)
1. (12分)试列出图5-1的全部边界条件,在其端部边界上,应用圣维南原理列出三个积分的应力边界条件。
(板厚1=δ)
图5-1
解:在主要边界2h y ±=上,应精确满足下列边界条件:
()
l qx h y y -=-=2
σ,()
02
=-=h y yx
τ; ()
02
=+=h y y
σ,()
12
q h y yx
-=+=τ
在次要边界0=x 上,应用圣维南原理列出三个积分的应力边界条件,当板厚1
=δ时,
()⎰+-=-=2
20h h N x x F dy σ,()⎰+-=-=2
20h h x x M ydy σ,()⎰+-=-=2
20h h S x xy F dy τ
在次要边界l x =上,有位移边界条件:()0==l x u ,()0==l x v 。
这两个位移边界条
件可以改用三个积分的应力边界条件代替:
()l
q F dy h h N x x ⎰+-=+-=2
210
σ,
()2
622
20qlh
ql l F M ydy S h h x x +---=⎰+-=σ,
()
2
22
ql F dy h h S x xy
--=⎰+-=τ 2. (10分)试考察应力函数3
cxy =Φ,0>c ,能满足相容方程,并求出应力分量(不计
体力),画出图5-2所示矩形体边界上的面力分布,并在次要边界上表示出面力的主矢和主矩。
图5-2
解:(1)相容条件:将3
cxy =Φ代入相容方程02442244
4=∂Φ
∂+∂∂Φ∂+∂Φ∂y
y x x ,显然满足。
(2)应力分量表达式:cxy y
x 62
2=∂Φ∂=σ,0=y σ,23cy xy -=τ
(3)边界条件:在主要边界2
h
y ±
=上,即上下边,面力为()chx h y y 32±=±
=σ,()
22
4
3ch h y xy -=±=τ 在次要边界l x x ==,0上,面力的主失和主矩为
()()()⎪⎪⎪
⎩⎪
⎪⎪⎨⎧-=-===⎰⎰⎰⎰+-+-=+-=+-=223
222
02202
204300h h h h x xy h h x x h h x x h c dy cy dy dy y dy τσσ
()()()⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-=====⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-+-=+-+-=+-+-=2232
22
03222
2
2222243260
6h h h h x xy h h h h l x x h h h h l
x x h c dy cy dy clh dy cly dy y dy cly dy τσσ 弹性体边界上的面力分布及在次要边界l x x ==,0上面力的主失量和主矩如解图所示。
3. (14分)设有矩形截面的长竖柱,密度为ρ,在一边侧面上受均布剪力q, 如图5-3
所示,试求应力分量。
(提示:采用半逆解法,因为在材料力学弯曲的基本公式中,假设材料符合简单的胡克定律,故可认为矩形截面竖柱的纵向纤维间无挤压,即可设应力分量0=x σ )
图 5-3
解:采用半逆解法,因为在材料力学弯曲的基本公式中,假设材料符合简单的胡克定律,故可认为矩形截面竖柱的纵向纤维间无挤压,即可设应力分量0=x σ,
(1) 假设应力分量的函数形式。
0=x σ
(2) 推求应力函数的形式。
此时,体力分量为g f f y x ρ==,0。
将0=x σ代入应
力公式22y x ∂Φ∂=σ有02
2=∂Φ
∂=y
x σ对x 积分,得()x f y =∂Φ∂, (a )
()()x f x yf 1+=Φ。
(b )
其中()x f ,()x f 1都是x 的待定函数。
(3)由相容方程求解应力函数。
将式(b )代入相容方程04
=Φ,得
()()04
1444=+dx
x f d dx x f d y 这是y 的一次方程,相容方程要求它有无数多的根(全部竖柱内的y 值都应该满
足),可见它的系数和自由项都必须等于零。
()04
4=dx
x f d ,()0414=dx x f d ,两个方程要求
()Cx Bx Ax x f ++=23,()231Ex Dx x f += (c)
()x f 中的常数项,()x f 1中的一次和常数项已被略去,因为这三项在Φ的表达式
中成为y 的一次和常数项,不影响应力分量。
得应力函数
()()
2323Ex Dx Cx Bx Ax y ++++=Φ (d)
(4)由应力函数求应力分量。
022=-∂Φ
∂=x x xf y
σ, (e)
gy E Dx By Axy yf x
y y ρσ-+++=-∂Φ
∂=262622, (f)
C Bx Ax y
x xy
---=∂∂Φ∂-=2322τ. (g)
(5) 考察边界条件。
利用边界条件确定待定系数 先来考虑左右两边2b x ±=的主要边界条件:
()0=±=b x x σ,()0=-=b x xy τ,()q b x xy =+=2τ。
将应力分量式(e)和(g)代入,这些边界条件要求:
()0
2=±=b x x σ,自然满足; ()
04
32
=-+-
=-=C Bb Ab b x xy
τ (h ) ()
q C Bb Ab b x xy =---
=+=2
2
4
3τ (i) 由(h )(i ) 得 b
q
B 2-
= (j )
考察次要边界0=y 的边界条件,应用圣维南原理,三个积分的应力边界条件为
()
()02262
2
22
==+=⎰
⎰+-=+-Eb dx E Dx dx b b y b b y
σ; 得 0=E
()()02263
2
02
2==+=⎰⎰+-=+-Db dx x E Dx xdx b b y b b y σ, 得 0=D
()04332
22
02
2=--=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+-=⎰⎰+-=+-bC Ab dx C x b q Ax dx b b y b b xy τ (k )
由(h )(j )(k )得 2b q A -
=, 4
q
C = 将所得A 、B 、C 、
D 、
E 代入式(e )(f )(g )得应力分量为:
0=x σ,gy y b
q xy b q y ρσ---=2
6
, 4322q
x b q x b q xy -+=τ 填空题(每个1分,共10×1=10分)。
1.弹性力学的研究方法是在弹性区域内部,考虑静力学、几何学和物理学方面建立三套方程,即 方程、 方程以及 方程;在弹性体的边界上,还要建立边界条件,即 边界条件和 边界条件。
2.弹性力学基本假定包括 假定、 假定、 假定、 假定和 假定。
1.平衡微分 几何 物理 应力 位移
2.连续 均匀 各向同性 完全弹性 小变形 一、单项选择题(每个2分,共5×2=10分)。
1. 关于弹性力学的正确认识是 A 。
A. 弹性力学在工程结构设计中的作用日益重要。
B. 弹性力学从微分单元体入手分析弹性体,因此与材料力学不同,不需要对问题
作假设。
C. 任何弹性变形材料都是弹性力学的研究对象。
D. 弹性力学理论像材料力学一样,可以没有困难的应用于工程结构分析。
2. 所谓“完全弹性体”是指 B 。
A. 材料应力应变关系满足胡克定律。
B. 材料的应力应变关系与加载时间历史无关。
C. 本构关系为非线性弹性关系。
D. 应力应变关系满足线性弹性关系。
3. 所谓“应力状态”是指 B 。
A. 斜截面应力矢量与横截面应力矢量不同。
B. 一点不同截面的应力随着截面方位变化而改变。
C. 3个主应力作用平面相互垂直。
D. 不同截面的应力不同,因此应力矢量是不可确定的。
4.弹性力学的基本未知量没有 C 。
A. 应变分量。
B. 位移分量。
C. 面力分量。
D. 应力分量。
5.下列关于圣维南原理的正确叙述是 D 。
A. 边界等效力系替换不影响弹性体内部的应力分布。
B. 等效力系替换将不影响弹性体的变形。
C. 圣维南原理说明弹性体的作用载荷可以任意
平移。
D. 等效力系替换主要影响载荷作用区附近的应
力分布,对于远离边界的弹性体内部的影响比较小。
二、计算题(共15分)
如图所示的三角形截面水坝,其左侧作用着比重为γ的液体,右侧为自由表面。
试写出以应力分量表示的边界条件。
解:在平面应力边界条件下,应力须满足
x yx x xy y y
l m f l m f σττσ⎧+=⎪⎨+=⎪⎩
(1) (5)
在x ytg β=表面处,cos l β=, (1)
sin m β=-; (1)
0x f =, ....................................(1) 0y f = (1)
代入公式(1),得
cos sin 0
cos sin 0
x yx xy y σβτβτβσβ-=⎧⎨
-=⎩ ....................................(1) 在x ytg α=-处,cos l α=-, (1)
sin m α=-; (1)
cos x f y γα=, ....................................(1) sin y f y γα= (1)
代入公式(1),得
cos sin cos cos sin sin x yx xy
y y y σαταγα
τασαγα--=⎧⎨
--=⎩ (1)
四、计算题(共10分)
试考虑下面平面问题的应变分量有否可能存在,若存在,需满足什么条件?
x Axy ε=,3y By ε=,2xy C Dy γ=-;
解:应变分量存在的必要条件是满足形变协调条件,即
22
222y xy
x y x x y
εγε∂∂∂+=
∂∂∂∂ ………………………………(4) 将各分量分别代入,得
22
x
y ε∂∂=0, ………………………………(2) 22
y
x ε∂∂=0, ………………………………(2) 2xy x y
γ∂∂∂=0 (2)
无论A 、B 、C 、D 取何值,都满足形变协调条件。
基本概念解释(24分,6小题) (1) 弹性力学的基本假定 (2) 平面应变问题 (3) 平面应力问题 (4) 圣维南原理 (5) 逆解法
1、 简单题(40分,4题) (1) 列出图示全部边界条件。
(2) 求出下列应力函数的应力分量,并考察该应力函数是否满足相容方程 A : )43(22
2243
y h y x h
F +=
Φ B :)2(10)134(4332332h y
h
y qy h y h y qx -+--=Φ (3) 根据圣维南原理,比较图示中OA 边的面力是否等效,b h >>。
2、 综合题(36分)
(1) 设单位厚度的悬臂梁在左端受到集中力和力矩作用(如图),体力不计,h l >>,试
用应力函数3
3
2
Dxy Cy By Axy +++=Φ求解应力分量。
(2) 矩形截面的长柱,密度为ρ,在一边侧面上受均布正应力q ,试求应力分量,体力
不计。
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