2020年, 第37卷, 第3期 
刊出日期:2020-03-20
  

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    专题论文
  • 田永军, 孙爽, 张翔宇, 段国林
    机械设计. 2020, 37(3): 1-13. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.001
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    回顾了圆锯片振动与噪声领域的研究进展,探讨了金刚石圆锯片固有特性及锯切稳定性对锯片振动特性的影响等相关问题,综述了圆锯片气动噪声、锯切噪声产生机理;在减振降噪技术评述中,针对锯切参数优化技术、阻尼减振降噪技术、自适应控制技术、锯片结构尺寸优化技术和基体拓扑优化技术及其机理进行详细的综述;最后,梳理了金刚石圆锯片振动与噪声研究领域中依旧存在的问题和可能的解决方案。
  • 杨一昕, 皮智波, 郭孔辉
    机械设计. 2020, 37(3): 14-18. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.002
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    随着制造业工业机器人大批量应用,机器人的能耗逐渐成为生产的主要能耗单元。为了减少启动故障,避免机器人丢失零点等情况,工业机器人大多保持待机状态。文中基于PROFINET工业互联网,通过PROFIenergy技术,实现了对工厂机器人进行驱动关断模式和批量休眠控制,降低工业机器人待机能耗,通过MES和现场PLC实现机器人休眠的一键控制功能,从而实现自动化生产降低能耗、节能减排的目的。
  • 程敏杰, 王建文
    机械设计. 2020, 37(3): 19-22. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.003
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    快速地对大批量生产齿轮的误差进行在线测量是智能化生产的本质要求,结合机器视觉技术非接触测量直齿轮的加工误差具有重要的意义和可行性。文中借鉴Zernike矩亚像素边缘检测算法,结合图像直方图的最大类间方差方法对在线拍摄的直齿轮图像进行最佳全局阈值处理,在提高轮齿边缘检测效率的同时降低了误差。针对Zernike矩亚像素边缘像素宽度较粗的缺点,对采集的图像进行形态学滤波等处理细化了边缘,在此基础上设计开发了一系列算法,得到了齿轮的基本参数和齿距偏差,并进行了误差分析。通过计算结果与实测值之间的对比,证明文中提出的采用机器视觉技术测量齿轮的算法精度较高,可以满足实际生产过程直齿轮在线测量的需要。
  • 胡迎春, 胡裔志, 牟向伟
    机械设计. 2020, 37(3): 23-27. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.004
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    针对桑叶采摘机构的采摘工况,通过几何与静力学分析,以采摘机构的基本参数为设计变量,分别以推杆推力最小和采摘机构质量最轻为优化目标,在满足采摘机构的基本尺寸和力学性能的条件限制下,采用加权线性组合法建立多目标优化数学模型,求解桑叶采摘机构的最佳设计方案。经多目标优化后采摘机构质量和推杆推力都相应减小。机构质量减轻可节省生产成本,推杆推力减小使机构打开合理角度时节省时间,提高采摘效率。利用多目标优化方法可获得较好的优化效果,为进一步桑叶采摘机物理样机制作奠定良好基础。
  • 王辉, 吕兴顺
    机械设计. 2020, 37(3): 28-32. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.005
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    针对飞行模拟运动平台经典洗出算法参数选取受经验限制,制约了飞行模拟器动感逼真度提高的问题,提出一种应用萤火虫智能算法的参数优化方法。基于人体感觉误差模型,建立洗出加速度误差和角速度误差的目标函数,利用萤火虫算法对洗出算法参数进行寻优。通过MATLAB的Simulink对优化后的参数进行仿真验证,结果表明:经过参数优化后的洗出算法节约了运动空间,在动感逼真度和稳定性上都得到了提高。
  • 林巨广, 吴梦
    机械设计. 2020, 37(3): 33-38. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.006
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    以某新型号永磁同步电机为研究对象,分析其径向力波来源,并通过Maxwell建立二维电磁仿真模型,计算其在工作时的径向电磁力,利用傅里叶变换进行时空二维分解;对两台不同壳体方案(包括前后端盖)的电机进行模态和噪声测试,确定了电机的0阶电磁力的48倍频与电机整机呼吸模态共振是噪声主要来源;对比了两台电机单壳体与前后端盖部分相同模态的固有频率大小,说明了两台电机壳体部件刚度大小,同时测试分析了两台电机噪声水平,说明电机电磁噪声不仅与单壳体刚度有关,与前后端盖也有一定的关系,并进行了试验验证,从噪声优化方面为电机设计提供一定的借鉴。
  • 杨帅, 畅博彦, 李晓宁, 张转
    机械设计. 2020, 37(3): 39-46. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.007
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    将筝形直线机构与剪叉机构结合,提出一种仅含转动副的筝形直线可展单元,并设计得到一种筝形直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述了筝形直线可展机构的模块化组成原理,并将其分解为外部模块和中间模块,两种模块均由筝形直线可展单元构成;对单个的筝形直线可展机构进行运动学建模,结合其模块化组成原理,得到相邻模块间的运动学递推关系,并以此为基础,运用Lagrange方法建立筝形直线可展机构整体动力学模型;以6层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,通过设置末端执行器的输出运动规律,求解得到机构所需的驱动力矩,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。研究结果表明:当末端执行器的输出运动规律为正弦加速度曲线时,机构在整个运动过程中稳定性好,无冲击影响。
  • 王清清, 傅秀清, 张震, 段双陆, 马文科
    机械设计. 2020, 37(3): 47-53. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.008
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    针对在回转体零件表面加工微织构的难题,文中建立了回转体表面微细电解加工的多物理场耦合数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行了仿真求解。设计了掩膜电解加工专用夹具和电解液系统,优化了电解液的流道结构,在较低加工电压和较短加工时间的条件下,开展了工艺试验。通过对比分析微坑深度的仿真值和测量值,验证了加工过程多物理场耦合仿真模型的准确性,得到了形状精度高、均匀排布的直径为φ200μm的微坑阵列,为在回转体表面加工微织构提供了一种合理有效的方法。
  • 现代装备设计技术与实例分析
  • 张自强, 李占国, 李奇涵, 张邦成, 张世宏, 孟令威
    机械设计. 2020, 37(3): 54-58. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.009
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    随着科技发展,汽车安全性、轻量化及节能环保等性能指标变得尤为重要,汽车塑料燃油箱安全性能是汽车安全性能的关键因素。汽车塑料燃油箱检测方法在国家GB 18296—2001中有规定,燃油箱耐火性能检测是国家强制检验项目,试验中燃油箱夹具的设计尤为重要。文中按照国家标准规定对燃油箱耐火性能试验进行工作机理分析,充分考虑燃油箱在汽车上的安装状态及规格多样性等方面的问题,对燃油箱夹具进行设计,建立30~90 L的万能燃油箱夹具三维模型,并进行三维虚拟模拟及有限元分析,得到最优的设计模型,为实现针对不同规格燃油箱在耐火性能试验中模拟实车安装状态进行检测提供了坚实的保障。
  • 刘东一, 杨建伟, 李欣, 王金海, 祝赫楷
    机械设计. 2020, 37(3): 59-66. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.010
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    斜齿轮轮系是地铁车辆中主要采用的传动形式,齿根裂纹的进一步发展有可能引发轮齿断裂,从而极大地影响车辆安全运营。因此,齿根裂纹扩展机理的研究是斜齿轮服役性能保障的关键。文中针对地铁齿轮箱斜齿轮实际运用的工况进行了裂纹扩展路径与寿命预测的研究。首先通过Newmark时间积分方法对齿轮进行瞬态响应动力学分析,并与《GB/T3480.5—2008标准》计算得到的斜齿轮齿根危险截面处的最大弯曲应力进行比较,验证了模型的正确性。之后,使用XFEM(Extended Finite Element Method)方法对齿轮进行裂纹扩展研究,分析小齿轮的裂纹扩展路径及寿命。仿真结果表明地铁齿轮箱斜齿轮齿根弯曲疲劳的失效形式为Ⅰ型裂纹占主导地位的Ⅰ,Ⅱ混合型裂纹;裂纹产生于齿轮端面处,同时沿齿厚和齿宽方向扩展,沿齿宽方向的裂纹在扩展到一定长度时,裂纹扩展方向发生了变化;对含有初始裂纹长度为4 mm,宽度为2 mm且裂纹位置在轮齿端面的齿轮进行了裂纹扩展寿命分析,得到了该初始裂纹下的小齿轮循环寿命为16×105次。
  • 刘日, 乔源, 郎蕾, 张昱东
    机械设计. 2020, 37(3): 67-71. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.011
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    针对弹力方程式赛车国际设计锦标赛中规定使用的驱动橡皮筋进行单轴拉伸和多股旋拧的极限性能测试试验,建立橡皮筋单轴极限拉伸长度与最大旋拧圈数(临界圈数)之间的关系,并推导橡皮筋处于1股状态时的最大旋拧圈数Qmax值。以Qmax为常数,建立橡皮筋缠绕股数n和对应理论临界圈数QnL之间的关系。将得出的理论值QnL与试验值QnS进行对比并计算修正量,推导橡皮筋的实际临界圈数Qn的计算公式,并列出常用参考数据表,为指导弹力方程式赛车的设计工作及提升赛车速度和行驶距离提供理论依据。
  • 白利征, 阎鑫, 齐少璞, 赵守智
    机械设计. 2020, 37(3): 72-76. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.012
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    有向图是表示机械产品装配关系的有力结构,为减少有向图构造时的工作量,从拆装路径的空间可行性出发,提出了一种新的构造方法,从产品模型中提取装配关系矩阵并初始化有向图,建立层次化的结构,对产品中的零件进行路径规划,结合路径查找结果逐层填充节点,根据不同层次中节点的关系补充零件间的优先约束,从而生成相对完善的有向图。该方法基于CATIA二次开发自动进行几何推理,可用于存在复杂拆装路径的机械产品,具有良好的通用性。有向图拓扑排序生成的序列质量较高,运用粒子群算法对这些序列进行启发式搜索,相比传统方式缩小了搜索空间,能够更快找出较优的装配序列。
  • 王正国, 钟宏民, 付磊, 孙泽刚
    机械设计. 2020, 37(3): 77-85. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.013
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    文中采用Abaqus/Explicit显式积分算法对某车型通风盘式制动器进行热机耦合特性研究,探讨该制动器在制动过程中的温度分布特性和动力学行为。在此基础上,该研究设计出3种不同结构的摩擦衬片,通过和原始的摩擦衬片仿真结果进行对比分析,探讨不同摩擦衬片结构对制动器热机耦合特性的影响。结果表明,制动过程中摩擦衬片的温度分布处于动态变化的过程,热机耦合作用会对系统的振动特性产生影响。通过开沟或者倒角处理后的摩擦衬片能够有效降低界面温度,改善热弹性变形,减弱系统振动强度。而当对摩擦衬片同时进行开沟槽和倒角处理后,它能在降低界面温度的同时使得界面温度分布更加均匀,进一步减弱摩擦衬片热弹性变形,并且抑制制动器的高频振动。研究结果为改善制动器的温度分布和减振降噪设计提供理论依据。
  • 王福山, 王锡勇, 张照程, 杨鑫华
    机械设计. 2020, 37(3): 86-91. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.014
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    以铁路车辆某型号散热器冷却风扇为研究对象,按照GB/T 1236—2000建立试验风道流场模型,利用Fluent完成了散热风扇气动特性的仿真分析;根据标准进行相同条件下的气动性能物理试验,并对各项气动特性指标进行了测定;分别提取仿真与试验结果数据,并将结果进行对比。结果表明:在合适的网格密度条件下,仿真结果与试验结果具有较高的吻合性,验证了仿真模型的实用性和可靠性,为冷却风扇的优化设计与可靠性分析奠定了基础。
  • 康元春, 王瑞芳, 张康
    机械设计. 2020, 37(3): 92-95. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.015
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    为使蓄电池支架在轻量化的基础上能够满足汽车各工况下强度性能及要求,采用折衷规划法进行多目标拓扑优化,通过灰色关联分析法确定子目标的权重系数。首先在原始电池支架模型结构基础上,考虑实际装配和功能,建立了蓄电池支架初始拓扑优化模型;然后对其进行多工况和综合频率优化,并通过灰色关联分析法确定子目标函数的权重,运用折衷规划法进行多目标拓扑优化。最终得到的新模型质量比原模型降低10.9%,低阶频率及刚度有较大提高,各极限工况应力均小于许用值。结果表明,轻量化的蓄电池支架满足性能要求,验证了设计的合理性。
  • 张丰华, 周尧, 赵航, 刘诗鑫
    机械设计. 2020, 37(3): 96-100. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.016
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    电子设备小型化、集成化、高密度的发展方向对热管理技术提出了更高要求,普通风冷技术存在体积大、功耗高及噪声问题。文中研究了一种压电风扇集成式散热器,设计了多种不同翅形的散热器,通过数值模拟,对不同翅形散热器的流场流动特性及温度场分布情况进行了研究,并通过试验测试散热器换热性能。研究表明:散热器凸起点可以引导压电风扇流场的流动方向,使流体形成持续、有方向性的流动,从而增强换热效果;散热器凸起点纵坐标Y值对于散热性能的影响显著,对于文中的压电风扇集成式散热器,散热器凸起点纵坐标Y值为16 mm时的散热性能最好;与同体积的普通翅片散热器相比,压电风扇集成式散热器散热效果有显著提升。
  • 洪振宇, 赵冲, 张志旭, 张聪, 彭松伟
    机械设计. 2020, 37(3): 101-106. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.017
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    以机场行李装载机器人为研究对象,对其装载作业中的轨迹规划进行了研究。结合实际需求,对机器人末端轨迹设置关键路径点,建立点到点的运动轨迹。用MATLAB对3-3-5多项式插值法、3-5-3多项式插值法、4-3-4多项式插值法、5-3-5多项式插值法、3-4-5多项式插值法进行仿真。对比仿真结果,5-3-5多项式插值法在参数曲线光滑连续方面优于其他几种方法。以时间最短为优化目标,用遗传算法对5-3-5多项式插值方法进行优化。结果表明,该方法可以在时间最优的同时,各关节角度、角速度和角加速度曲线光滑连续,机器人可以平稳运行,顺利避开障碍物,满足设计要求。
  • 朱阳
    机械设计. 2020, 37(3): 107-112. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.018
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    为了得到某型号前移式叉车工作时门架系统的应力响应,考虑叉车工作过程中的特性,基于多体动力学方法,建立门架系统的刚柔耦合模型,并在虚拟样机中进行整合,得到前移式叉车整车耦合模型。在此基础上,研究叉车的前移和路面激励对叉车门架系统应力响应的影响,并与静力学分析的结果进行比较,同时也验证了模型的正确性。结果表明,叉车刚柔耦合模型更加符合工程实际,路面激励对门架的应力响应影响较大。
  • 王志伟, 张杨, 刘跃昆
    机械设计. 2020, 37(3): 113-120. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.019
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    建立陶瓷髋关节假体系统有限元模型,采用ABAQUS复特征值分析法对陶瓷髋关节假体系统可能出现的摩擦噪声问题进行分析,并探讨了系统参数和振动噪声之间的关系。研究结果表明,髋臼子系统和球头子系统均有可能是摩擦噪声的主要声源。摩擦因数增大导致髋关节系统发生模态耦合,从而增强系统的振动强度和噪声产生倾向。髋关节系统摩擦噪声主要出现在其绕X轴和Y轴转动,但是两种状态产生振动的振型模态有所区别。通过对速度和系统摩擦振动噪声的关系研究后发现,髋关节异响问题往往出现在速度较低的时候,当速度大于一定临界值时,系统保持稳定。此外,当载荷越大时,摩擦界面形成应力集中和能量堆积,导致系统产生更多频率的不稳定振动,且振动强度和倾向增大。合理地选择球头直径,对改善髋关节摩擦噪声有积极的效果。文中当球头直径为36 mm时髋关节系统处于稳定状态,没有摩擦振动噪声产生。另外,通过降低股骨柄弹性模量,使其等于股骨弹性模量后,能够显著改善系统振动噪声倾向,降低振动强度,这对改善摩擦噪声问题有积极作用。
  • 工业设计论坛与资讯
  • 罗仕鉴
    机械设计. 2020, 37(3): 121-127. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.020
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    在互联网和人工智能技术飞速发展的新经济时代,设计的环境、对象与模式都发生了深刻的变化。基于社会设计、设计众包及群体智能等创新发展形式,提出群智设计新思维。讨论了社会设计、设计众包及群体智能的研究现状,分析了群智设计的内涵,包括概念、研究内容和相互关系、特点、价值、关键技术及未来研究需求。从本体层、行为层和价值层3个层面研究了群智设计的本体属性、用户体验和共创价值等特征。随着未来社会技术、设计与商业的深度融合,群智设计将利用网络平台和人工智能技术优势,聚集更多、更好的想法流,开启群智创新模式,共同创造价值。
  • 代明远, 王明江, 肖利伟, 杨文军
    机械设计. 2020, 37(3): 128-134. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.021
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    工程机械产品属于复杂的工业产品,对其研发过程优化是工程机械行业领域一项重要研究内容。为避免工程机械产品样机试制风险,对虚拟现实技术嵌入工程机械产品研发流程的方式进行了研究。通过对相关文献整理与对比分析,梳理了近年来工程机械产品虚拟设计的研究成果,分析了在工程机械产品研发过程中,应用虚拟设计手段进行工业设计及工程设计的现状,总结了工程机械产品虚拟设计的应用方式,为该领域的设计研究提供参考。
  • 丁满, 张寿宇, 黄晓光, 李明惠
    机械设计. 2020, 37(3): 135-140. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.022
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    针对产品造型、色彩和材质等外观特征要素与用户情感需求的复杂关联性问题,提出基于支持向量机回归和模拟退火算法的产品外观意象优化设计方法。结合聚类分析、因子分析等方法确定代表性样本和感性意象词汇对,借助语义差异法制作问卷,构建产品外观意象特征评价量表;通过支持向量机回归方法构建产品外观意象评价模型;将评价模型作为模拟退火算法的目标函数,优化产品外观意象设计,并建立产品外观设计推荐系统。以汽车方向盘为例进行设计验证,证明文中方法的有效性,为产品设计提供有效的辅助和支持。
  • 蓝绥泓, 宋武
    机械设计. 2020, 37(3): 141-144. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.023
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    通过体压测试和问卷调查,分析久坐状态下不同的办公座椅座面形状对于舒适度的影响。根据文献查阅和问卷调查的结果,初步确定了10种座面形状。使用体压分布测试法,分析在不同形状座面久坐后人的体压分布情况及坐姿的变化次数;结合调查问卷对久坐后的舒适度进行主观分析,发现人体贴合性较好的座面对久坐舒适度有明显改善。测试数据可为座椅研究和设计提供参考。
  • 工业设计作品欣赏索引
  • 梁惠萍, 毛光华
    机械设计. 2020, 37(3): 145-145. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.024
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  • 赵颖, 曹西蒙, 杨浩
    机械设计. 2020, 37(3): 146-146. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.025
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  • 李光亮, 孟庆勇
    机械设计. 2020, 37(3): 147-147. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.026
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  • 王秋菊, 廖明慧
    机械设计. 2020, 37(3): 148-148. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.027
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  • 书评索引
  • 刘矫妍
    机械设计. 2020, 37(3): 149-149. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.028
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  • 陈玮
    机械设计. 2020, 37(3): 150-150. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.029
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  • 陈淦
    机械设计. 2020, 37(3): 151-151. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.030
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  • 赵蓓
    机械设计. 2020, 37(3): 152-152. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.031
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  • 张军惺, 谢凤玲, 王晶
    机械设计. 2020, 37(3): 153-153. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.03.032
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