一种考虑尺寸效应的缺口件疲劳寿命预测方法

基于损伤力学的缺口件多轴疲劳寿命预测方法研究基于损伤力学的缺口件多轴疲劳寿命预测方法研究摘要：随着现代工程技术的发展，缺口件在工程结构中的应用越来越广泛。

然而，由于应力集中的存在，缺口件往往比普通结构更容易发生疲劳损伤，因此对于缺口件的疲劳寿命预测方法的研究被广泛关注。

本文基于损伤力学理论，提出了一种基于损伤力学的缺口件多轴疲劳寿命预测方法，并在此基础上进行了实验验证。

研究结果表明，该方法对于缺口件的疲劳寿命预测具有较高的准确性和可靠性。

关键词：缺口件；多轴应力；疲劳寿命；损伤力学1. 引言缺口件是指在构件中存在缩孔、凹槽或小裂纹等缺陷的工程结构件。

由于缺口会导致应力集中，缺口件在受到多轴应力作用时容易产生疲劳损伤。

因此，对于缺口件的疲劳寿命进行准确预测具有重要的工程实际意义。

现有的缺口件疲劳寿命预测方法主要分为基于经验公式和基于损伤力学的方法。

前者往往依赖于试验数据，预测结果不稳定且不具有通用性；后者则基于材料的力学特性和历史应力的影响，能够较为准确地预测缺口件的疲劳寿命。

因此，基于损伤力学的缺口件多轴疲劳寿命预测方法备受关注。

2. 方法2.1 模型假设本研究基于以下假设：（1）缺口件材料的本构关系符合线性弹性理论；（2）缺口件的疲劳寿命主要受到材料的力学性能和历史应力的影响；（3）缺口件的损伤主要表现为微裂纹的扩展。

2.2 损伤力学模型根据线弹性损伤力学理论，缺口件的损伤可以通过损伤变量来描述。

在多轴应力作用下，缺口件的损伤变量的演化方程可以表示为：\[ \dot{D} = f(\sigma, \dot{\varepsilon}) \] 其中，\(\dot{D}\)表示单位面积上的损伤率，\(\sigma\)和\(\dot{\varepsilon}\)分别表示应力和应变的张量。

2.3 多轴应力下的疲劳寿命预测模型根据损伤力学模型，可以进一步推导出多轴应力下的缺口件疲劳寿命预测模型。

考虑到多轴应力会导致应力集中，进一步加速缺口的损伤进程，因此疲劳寿命可以表示为：\[ N = \frac{1}{\dot{D}} \]其中，\(N\)表示疲劳寿命。

专利名称：一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法专利类型：发明专利
发明人：宫建国,廖康博,郭赛赛,轩福贞
申请号：CN202111305457.X
申请日：20211105
公开号：CN114065576A
公开日：
20220218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种蠕变疲劳载荷下缺口部件的缺口效应评价方法，包括：S1获取缺口部件的设计工况参数；S2获得材料性能参数；S3计算缺口部件应力应变响应；S4计算蠕变当量应力和应变幅；S5计算缺口部件单个周次的蠕变损伤和疲劳损伤；S6获得蠕变‑疲劳交互作用图；S7计算缺口部件的许用蠕变‑疲劳失效周次Ncf,n；S8计算光滑部件的许用蠕变‑疲劳失效周次Ncf,s；S9比较Ncf,n 和Ncf,s，如果Ncf,ngt;Ncf,s，则为缺口强化效应，如果Ncf,nlt;Ncf,s，则为缺口削弱效应。

本发明的缺口效应评价方法，实现了缺口部件与光滑试样蠕变‑疲劳强度的联合计算分析，可准确评估高温部件的缺口效应问题。

申请人：华东理工大学
地址：200237 上海市徐汇区梅陇路130号
国籍：CN
代理机构：上海智信专利代理有限公司
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铝合金缺口试样疲劳寿命预测新方法研究
刘潮涛;王悦东;兆文忠
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2014(035)006
【摘要】借鉴基于断裂力学的Walker裂纹扩展公式的形式,对主△Ss-N方法中的裂纹扩展公式进行修正,得到一种新的考虑了平均应力影响的等效结构应力△Sg.由于焊接结构中存在着高值残余应力,平均应力对于焊接接头的疲劳寿命影响并不显著,但对于非焊接缺口件,平均应力的影响是显著的.对11种铝合金缺口试样进行有限元分析,建立以△Sg为参数的△Sg-N曲线族,并对得到的数据进行二元线性回归分析,得到不同置信度下的主△Sg-N曲线.将其与试验得到的以名义应力S和等效结构应力△Ss为参数的△Ss-N曲线族进行对比,发现△Sg-N曲线存在着良好的归一性.【总页数】4页(P19-22)
【作者】刘潮涛;王悦东;兆文忠
【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028
【正文语种】中文
【相关文献】
1.022Cr17Ni12Mo2不锈钢缺口试样的疲劳寿命预测 [J], 吴启舟;李江华;缑之飞;金丹
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3.基于小裂纹的2024-T3铝合金中心孔试样疲劳寿命预测 [J], 陈勃;刘建中;胡本润
4.铝合金薄板尖边缘缺口试样的机械加工方法及缺口敏感性测试 [J], 李行旦
5.铝合金缺口试样非对称循环疲劳极限的估算 [J], 丁遂栋;张兰
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一种考虑尺寸效应的缺口件疲劳寿命预测方法奚蔚;姚卫星【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2013(045)004【摘要】提出了一种考虑尺寸效应的缺口件疲劳寿命预测方法.该方法首先将缺口件等效成一个参考光滑件,参考光滑件与缺口件外加应力的比值由缺口件疲劳缺口系数决定,参考光滑件尺寸按裂纹可能萌生区域面积相等的原则确定.再基于最弱环节理论,将参考光滑件等效成一个与已具有试验数据的光滑件(称为标准光滑件)尺寸相同的新光滑件,它们外加应力的比例由Weibull指数和尺寸比例确定.在两次等效的基础上,最终建立缺口件与标准光滑件之间的联系,并提出等效应力的概念,用它查取标准光滑件的疲劳寿命试验数据可直接得到缺口件的疲劳寿命.该方法可考虑到缺口件疲劳损伤场大小对疲劳寿命的影响,并可消除用相同疲劳损伤量查取不同尺寸光滑件的试验数据寿命预测结果不同的现象.进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的.【总页数】6页(P497-502)【作者】奚蔚;姚卫星【作者单位】南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016;南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016;南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】O346.2【相关文献】1.基于临界平面法的缺口件疲劳寿命预测方法 [J], 张莉;程靳;李新刚2.基于最弱环理论的缺口件概率疲劳寿命预测方法 [J], 胡绪腾;辛朋朋;宋迎东3.一种新的缺口件疲劳寿命分布计算模型 [J], 奚蔚;姚卫星4.一种考虑平均应力松弛的汽轮机叶根低周疲劳寿命预测方法 [J], 张孝忠; 王恭义; 程凯; 叶笃毅5.多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法 [J], 陶志强; 张鸣; 朱煜; 成荣; 王磊杰; 李鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

钢疲劳极限的缺口尺寸效应摘要在这篇论文中，表面有沟槽的试样的疲劳行为已经被研究过。

它显示有两种与槽口相关的尺寸效应：统计的尺寸效应和几何的尺寸效应。

统计的尺寸效应是基于试样在变应力区域的起始裂纹的最大深度的分布而计算的，几何尺寸效应则是依靠应力梯度并且能够在线弹性力学的帮助下被估计。

在钝的刻痕上的尺寸效应可以用着两种要素来解释。

当裂纹变更剧烈时，在特定的极限之后，张力的塑形部分的大小开始在疲劳裂纹开裂上起重要作用，并且它的疲劳极限低于统计和几何尺寸效应的预测。

另外的估算方法可以被用在那种缺口。

1.介绍被用在机器上的大多数部件都有缺口，例如肩部和小孔。

这种样本的疲劳极限高于缺口根部的最大应力,并将显示。

已经进行了很多尝试评估这一现象,这被称为缺口尺寸效应。

它的目的在于建立一个方程式，一些常用的方法在参考【1】中，刻痕尺寸效应的大小取决于材料，这可以用那种被称作材料的缺口灵敏度来解释。

现如今用来描述这种现象的公式包括材料因素，但是没有物理背景的公式来描述这一现象。

当应用与不同的材料时，所有的公式显示出相当大的分散。

这篇论文的目的是来显示缺口尺寸效应可以用这两种因素来解释：统计尺寸效应和一种被称作几何尺寸效应的应力梯度的影响。

统计尺寸效应可以进行如下描述：当一个组件遭受交变载荷时，在它的体积上将产生大量微裂隙，样本越大，起始裂缝也就越大。

因此，对于大样本来说，更有可能出现大的起始裂纹和更小的疲劳极限。

Makkonen[1,2]显示平板尺寸效应仅由统计尺寸效应引起。

几何尺寸效应得到切口试样的图片，在细槽、肩部和其他间断点的附近的应力分布变成非线性并且出现一个高的应力峰值。

应力梯度在小并成某种形状的试样上变得更加陡峭，如果同样大小的裂缝出现在应力峰值区域，在裂缝上的应力强度因子高于大尺寸试样。

这篇论文的另外的一个目的是展示一种通过比较裂纹发起的两种情况：实际峰值应力分布和线性压力来估算几何尺寸效应的方法。

考虑应力梯度及附加强化效应的缺口件多轴疲劳寿命预测方法考虑应力梯度及附加强化效应的缺口件多轴疲劳寿命预测方法摘要：随着工程结构应用领域的不断发展，缺口件因其独特的设计灵活性和高负载承受能力而广泛应用于工程实践中。

然而，缺口件在多轴疲劳加载条件下容易发生失效，这严重影响了结构的安全可靠性。

本文基于应力梯度理论和附加强化效应，提出了一种新的缺口件多轴疲劳寿命预测方法，旨在提高结构的设计和可靠性。

关键词：缺口件，多轴疲劳，应力梯度，附加强化效应，寿命预测引言近年来，随着机械工程、航空航天工程和汽车工程等领域的快速发展，工程结构对于高强度和高可靠性的要求也越来越高。

缺口件作为一种常见的结构组件，在这些领域中得到了广泛应用，并且其安全性和可靠性成为了工程设计的重要考虑因素。

然而，在多轴载荷作用下，由于应力集中和应力梯度的影响，缺口件容易发生失效从而导致结构的失效。

因此，如何准确预测缺口件的多轴疲劳寿命成为了一个具有挑战性的问题。

方法本文基于应力梯度理论和附加强化效应，提出了一种新的缺口件多轴疲劳寿命预测方法。

首先，通过应力分析和有限元模拟技术，获得缺口件在多轴加载条件下的应力分布。

然后，考虑应力梯度对缺口件疲劳寿命的影响，建立了应力梯度与疲劳寿命的关联模型。

在此基础上，考虑附加强化效应，综合考虑了缺口尺寸、应力梯度和材料强化效应对疲劳寿命的影响，建立了缺口件的多轴疲劳寿命预测模型。

结果与讨论通过实验数据的对比分析，验证了所提出的多轴疲劳寿命预测模型的准确性和可靠性。

结果显示，在考虑应力梯度和附加强化效应的情况下，所预测的疲劳寿命与实际寿命相符合，并能够较好地预测缺口件在不同载荷条件下的疲劳寿命。

同时，通过优化缺口设计参数，可以显著提高缺口件的多轴疲劳寿命。

结论本文提出了一种考虑应力梯度及附加强化效应的缺口件多轴疲劳寿命预测方法，为工程结构设计和可靠性评估提供了重要依据。

通过应力梯度理论和附加强化效应的综合考虑，能够更准确地预测缺口件的多轴疲劳寿命，并提出了相应的优化方案，从而提高了结构的安全性和可靠性。

估计在多轴加载下领头人的疲劳寿命就像试图解决一个非常困难的工程难题想象一下这个—当小马有压力集中时，像一个小马一样，小马根的紧张会成为真正的头部吸食者，因为多轴加载太疯狂。

这有点像在骑单车时试图解决Rubik的立方体！为了应对这一挑战，工程师们运用了各种聪明的方法。

这些方法考虑诸如 Notch 形状，物质属性，应力水平，负载历史，甚至环境等，给我们一个关于疲劳生活的大画面估计。

这有点像拼图巨大的拼图，每一块代表不同的因素，影响我们的仆人可以保持多久的卡车。

但我们还得考虑这些不同种类的装载组合和混合，比如确保一个食谱中的所有成分一起发挥良好的作用。

估计在多轴加载下，领航员的疲劳寿命有点像解决一个非常棘手的，多维的谜题——当然是工程魔法的喷洒！Onemon估计在不同类型的应力下，一个注尾部分会持续多久的方法是采用线性弹性断裂力学（LEFM）方法。

这种方法基本上研究了鼻孔周围的应力，并使用断裂力学原理来判断裂缝何时可能开始，如何生长。

通过考虑压力强度和材料的坚韧性等因素，我们可以对这部分在多轴加载下能支撑多久进行有教养的猜测。

但它并不是一个完美的方法——有时它能给我们一个过于乐观或过于乐观的估计，因为它不能完全捕捉到在notch周围的所有不同类型的压力。

临界平面方法为估计多轴加载下排位器疲劳寿命提供了另一种方法。

这种办法考虑到不相称的加载和复杂应力，方法是确定预期疲劳损害会累积的关键平面。

通过分析多轴加载历史和材料的疲劳性质，临界平面方法对领航员的疲劳寿命提供了更准确的估计。

将有限元素分析（FEA）和多轴疲劳标准等先进数值方法与实验数据相结合，可以提高疲劳寿命估计的准确性。

对于多轴加载下排位器疲劳寿命的估计，显然需要采取多学科的方法，考虑诺赫几何，物质行为，加载条件的相互作用。

疲劳寿命预测方法大全，可靠寿命也在其中疲劳寿命预测方法很多。

按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和控制参数，可分为名义应力法、局部应力一应变法、能量法、场强法等。

1 名义应力法名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环，结合材料的S -N 曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。

基本假定：对任一构件(或结构细节或元件)，只要应力集中系数KT相同，载荷谱相同，它们的寿命则相同。

此法中名义应力为控制参数。

该方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。

但该种方法有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究疲劳问题，没有考虑缺口根部的局部塑性变形的影响，在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差较大；二是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种关系与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。

正是因为上述缺陷，使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不同的应力比R和不同的应力集中因子KT下的S-N曲线，而获得这些材料数据需要大量的经费。

因而名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。

近年来，名义应力法也在不断的发展中，相继出现了应力严重系数法(S. ST)、有效应力法、额定系数法(DRF)等。

2 局部应力一应变法局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助于局部应力-应变法分析缺口处的局部应力。

再根据缺口处的局部应力，结合构件的S-N曲线、材料的循环。

一曲线、E -N曲线及线性累积损伤理论，估算结构的疲劳寿命。

基本假定:若一个构件的危险部位(点)的应力一应变历程与一个光滑小试件的应力一应变历程相同，则寿命相同。

此法中局部应力一应变是控制参数。

局部应力一应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问题。

该方法的特点是可以通过一定的分析、计算将结构上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。

机械设计中的疲劳寿命预测方法在机械设计领域，确保零部件和结构在长期使用中的可靠性和安全性至关重要。

其中，疲劳寿命预测是一项关键任务，它能够帮助工程师在设计阶段就评估产品的耐久性，提前发现潜在的问题，从而优化设计，降低成本，提高产品质量。

疲劳是指材料或结构在反复加载和卸载的作用下，经过一定次数的循环后发生的破坏现象。

这种破坏往往在应力水平远低于材料的强度极限时就会发生，而且具有突发性，难以提前察觉。

因此，准确预测疲劳寿命对于机械产品的设计和使用具有重要意义。

目前，常用的疲劳寿命预测方法主要包括基于应力寿命（SN）曲线的方法、基于局部应变法的方法和基于损伤力学的方法等。

基于应力寿命（SN）曲线的方法是最经典也是最常用的方法之一。

这种方法通过对大量材料或结构的疲劳试验，得到不同应力水平下的疲劳寿命数据，然后绘制出 SN 曲线。

在实际应用中，只要知道零部件所承受的应力水平，就可以通过查询 SN 曲线来估算其疲劳寿命。

然而，这种方法也存在一些局限性。

首先，SN 曲线通常是在标准试件上通过试验得到的，而实际零部件的几何形状、表面状态等往往与标准试件不同，这会导致预测结果的偏差。

其次，该方法对于高周疲劳（循环次数大于 10^4 次）的预测效果较好，但对于低周疲劳（循环次数小于10^4 次）的预测精度则相对较低。

基于局部应变法的疲劳寿命预测方法则主要考虑了材料在局部区域的应变情况。

在实际工作中，零部件的某些局部区域往往会产生较大的应变，这些区域更容易发生疲劳破坏。

局部应变法通过测量或计算这些局部区域的应变，结合材料的疲劳性能参数，来预测疲劳寿命。

与基于应力寿命曲线的方法相比，局部应变法更适用于低周疲劳的预测，但它也需要较为复杂的应变测量和计算，而且对于多轴应力状态下的疲劳寿命预测还存在一定的困难。

基于损伤力学的疲劳寿命预测方法则从材料内部损伤的角度出发，建立损伤演化模型来描述疲劳过程。

这种方法可以考虑材料的微观结构、加载历史等因素对疲劳寿命的影响，具有较高的理论价值。

缺口件疲劳寿命预测新方法
金丹;缑之飞
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2017(037)002
【摘要】采用有限元方法针对缺口件多轴疲劳实验结果进行模拟.结果表明,相同路径条件下,随着缺口半径减小缺口根部附近的应力梯度显著增加.基于缺口根部应变值,采用等效应变法进行疲劳寿命预测,预测结果随缺口半径的减小而偏于保守.采用应力梯度法确定有效距离,相同路径下,随着缺口半径的减小有效距离减小;依据该有效距离处的等效应变进行疲劳寿命预测,总体预测结果较为分散且偏于不安全.基于实验及有限元模拟结果,提出了基于应变梯度的有效距离确定的新方法,大部分疲劳寿命预测结果位于2倍分散带内.
【总页数】7页(P81-87)
【作者】金丹;缑之飞
【作者单位】沈阳化工大学能源与动力工程学院,沈阳 110142;沈阳化工大学能源与动力工程学院,沈阳 110142
【正文语种】中文
【中图分类】TG155.5
【相关文献】
1.铝合金缺口试样疲劳寿命预测新方法研究 [J], 刘潮涛;王悦东;兆文忠
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3.映射网格在缺口件多轴疲劳寿命预测中的应用 [J], 孙然;金丹;
4.映射网格在缺口件多轴疲劳寿命预测中的应用 [J], 孙然;金丹
5.多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法 [J], 陶志强; 张鸣; 朱煜; 成荣; 王磊杰; 李鑫
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疲劳寿命预测方法10船王茹娇************疲劳裂纹形成寿命的概念发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料或构件的疲劳寿命。

疲劳寿命的种类很多。

从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为止的循环次数称为裂纹形成寿命。

此后扩展到临界裂纹长度acr为止的循环次数称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采用的寿命性能曲线有关。

此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。

疲劳损伤累积理论疲劳破坏是一个累积损伤的过程。

对于等幅交变应力，可用材料的S—N曲线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。

于是，对于给定的应力水平，就可以利用材或零部件的S—N曲线，确定该零件至破坏时的循环数N，亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以直接利用S—N曲线估算零件的寿命。

如果在多个不同应力水平下循环加载就不能直接利用S—N曲线来估计寿命了。

对于实际零部件，所承受的是一系列循环载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。

损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化，循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。

疲劳累积损伤理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生失效的总循环数有关。

而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。

当累积总损伤达到临界值就会产生疲劳失效。

目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累积理论。

线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner理论。

如何缓解淬火件的“缺口效应”
裘伟甬
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】1989()3
【摘要】工件在淬火前的机械加工中,表面上留有刀纹或磨纹,工件表面上的这些刀纹或磨纹形成了“缺口”,在淬火拉伸应力作用下,会产生程度不一的“缺口效应”而淬裂。

本文叙述了如何采取改变刀纹(磨纹)方向,使工件在较差的淬火条件或较恶劣的表面状况下仍能避免淬裂的措施。

【总页数】3页(P32-34)
【关键词】淬火件;刀纹;缺口效应;磨纹;淬火
【作者】裘伟甬
【作者单位】宁波量具一厂
【正文语种】中文
【中图分类】TG506
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2.汽车零部件感应加热淬火设备知识讲座(九) 大功率场效应晶体管(MOSFET)淬火设备 [J], 杨连弟
3.弱化凸轮类零件感应淬火尖角效应的研究 [J], 周汉平;郑重;周道泉
4.无相变合金淬火热应力演变机理的理论模型——(2)表层和内部淬火热应力模型
及淬火动态薄膜效应 [J], 胡少虬;曾苏民
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