发车很享受啊,小车计划CAD设计中数字化三维人

2020-01-05 04:33 来源:未知

当你开一辆上岁数的老车的时候,你会发现驾驭它并不是一件容易的事情。

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高档大客车一般是指:车内高地板化、风窗玻璃全景化、外摆式乘客门、高靠背可调式座椅、带有冷热空调装置、有较大行李舱等豪华大型客车。国外高档大客车在近20年的发展中,装饰越来越豪华,行驶安全性越来越有保障,乘坐舒适性提高越来越明显,附加配置越来越现代化。1、国外高档大客车的结构特点动力系统——柴油机垄断市场,替代产品方兴未艾,从车辆的动力方面来看,目前国外大客车的动力装置全部采用柴油机。实践证明,柴油机有以下优点:首先,柴油机热效率高,燃油经济性好,这有利于降低大客车的使用成本。其次,柴油机工作可靠,寿命长,一般而言,国外现代柴油机的大修间隔里程定额可以达到50万km,其中行驶最长的可达80万km,相比之下,汽油机却只有20万~30万km。最后,柴油机可以方便地采用增压等技术,以进一步提高发动机的功率,减少废气排放。当然,其它一些替代动力装置如太阳能动力客车、天然气动力客车、氢燃料动力客车、电动客车以及丰田公司刚推出的混合动力系统客车等,仍然都处于实验或试用阶段,在市场占有率方面看根本无法与柴油机动力客车相抗衡。另外,据专家们预计,下世纪的头10年里,柴油机在高档大客车上的垄断地位仍然不会改变。从发动机的布置形式看,目前国外高档大客车基本上都采用后置发动机的布置方式。市场发展表明,在今后一个相当长的时间内发动机后置仍将是高档豪华大客车布置发动机的主要形式。对大客车而言,后置发动机有很多优点:发动机后置时,大客车的发动机与车厢之间的隔绝最好,车身的振动和运行噪声也最小,因此舒适性也最好;发动机后置为高档大客车布置空调提供了极大的方便,并且可以设计较大容量的行李舱,有利于内部装饰;车辆轴荷分布合理,解决了车辆前桥超载问题,从而使转向操纵方便。底盘系统——技术不断创新,突出稳定安全,高档大客车的技术性能主要取决于汽车底盘结构,所以大客车专用底盘的设计和制造水平的不断提高是大客车技术赖以发展的基础。高档大客车由于内部设施增多,乘员增加,从而客观上接增加了载荷量;但是其运输环境要求其加速性能、动力性能、安全性能等不允许因此而降低。这样,在技术上要求增加发动机的比功率,并且随着车辆轮胎承载能力的提高,车轮直径反而要减小,有利于降低大客车底盘车架的高度,增加稳定性。总的来讲,国外高档大客车底盘的布置有“柔性化”的趋势,以适应各种要求的车身匹配。例如,欧洲生产的大客车,其底盘生产基本上可以归纳为三种类型,即车架底盘、三段式底盘、无车架式底盘。其中后两种是欧洲目前大客车的主要形式。今后欧洲大客车的主要发展趋势将是无车架底盘,桁架式车身。在转向和制动方面,近年来日本汽车生产企业在高档大客车上屡屡有所创新,如五十铃公司在其生产的旅游大客车上使用齿轮条式动力转向器,从基本构造上提高了车辆在高速行驶时的稳定性和操纵灵敏性;日产公司在其生产的大型三轴旅游车上安装了电涡流式减速制动器,此外还安装了变速比转向器、电控式后视镜及镜臂等。高档大客车的悬架是影响客车乘坐舒适性的关键总成。目前,国外豪华大客车均采用空气弹簧悬架,并出现了以钢板弹簧为导向元件与空气弹簧组合的混合悬架,减振效果很好。另外,为了提高大客车行驶的安全性,国外高档大客车一般采用双管回路制动系统,布置形式多采用前、后轴各自独立的双管回路系统;在结构设计上,采用薄壁结构,以减轻制动系统的总质量。车身与内饰——设计制造精尖,外观内饰豪华。国外高档大客车的车身一般分为预应力蒙皮结构和骨架承载结构。欧洲一般采用无车架式底盘与骨架结构车身相结合的结构方式,其骨架由扭转刚性很强的矩形材料构成,以承受更大的载荷;外蒙皮只起装饰作用。这种结构的侧开窗可以很大,立柱很细,质量很轻,车身外观华丽;其不足是改型困难,设备投资大,焊接工艺复杂,生产要求高。欧洲高档大客车不仅外观造型美观大方,而且在车身设计方面特别重视刚度与强度;设计制造过程都广泛采用CAD、CAM 等技术手段;多车身框架进行有限元计算和分析以达到最佳的刚度与强度;生产过程中采用激光或等离子自动切割机下料,保证各类车身零部件的几何尺寸和精度;桁架车身大量采用型材,为了减轻质量,并保证强度和刚度要求,有的还采用异型钢材;特别注重车身零部件的防锈抗蚀能力,在涂装工艺上做足文章。在国外汽车生产商看来,高档大客车的内饰是直接与乘客有关的部分,这就决定了车身内饰设计与结构必须以人为第一出发点。例如,在大型旅游客车处于世界领先地位的欧洲,有许多象艺术品一样的大型旅游客车,其共同的特点就是:车内布置体现完美、舒适、安全和统一协调原则;乘客座椅设计完全符合人机工程学的各项要求,其造型、材质、色泽与车内布置统一和谐;驾驶区域的设计有其完整的理论与实践规范依据,可最大限度地减少驾驶员的疲劳;车内各种设施齐备,一般都设有酒吧、卫生间、音像系统和完整的空调系统,有的车型还设有会议室、甚至厨房等工作和生活设施;车内装饰设计专业化、艺术风格突出,无论是座椅、仪表板,还是侧壁、地板、侧窗等,都有专业设计进行统一规范。至于车身造型,国外在各自发展中逐步形成了欧洲风格和日本风格。欧洲风格在造型、内饰、色彩设计、车辆舒适等方面都有精湛的加工技艺来突出尽善尽美的追求。例如在世界高档大客车生产方面领衔的奔驰公司,始终以其高超的造型风格独战鳌头,其主要风格为三维大曲面设计,所有车身外露线条,除侧围的侧窗下部窗框外,整车造型均以曲面连接、大圆弧过渡,其侧窗具有独特的上部弯曲主顶盖,既突出了整车大曲面的造型,又给乘客带来了良好的视野;由于使用深色玻璃,增加了内饰的舒适感和透明度,加之高超的制造加工工艺,完整地体现了客车的豪华、协调、优美和柔中带刚的造型精髓,其内饰、色彩、工艺等配合恰到好处,它代表着欧洲的典型豪华型大客车风格。日本的大客车造型则更具有东方神韵:只有较平缓的前围大曲面与侧围相连,小半径曲率转角形成“方型”基调,同样体现了整体造型的美感。2、国外高档大客车的安全技术汽车安全是汽车发展的永恒课题、汽车诞生和发展的百余年来,汽车安全就一直是汽车制造企业、汽车消费者以及各国政府共同关注的问题。从市场营销角度看,提高汽车安全性,就是提高企业产品的市场占有率;从消费者角度看,提高汽车安全性就是挽救人的生命和财产;从政府角度看,提高汽车安全性就是稳定社会、保持经济繁荣的重要力量。汽车的安全性分为主动安全性和被动安全性两类。主动安全性是指汽车防止交通事故的性能;被动安全性是指汽车在交通事故发生时汽车本身具有保护乘员、行人不受伤亡或减少伤亡的性能。大客车的行车安全关系到更多乘客的生命和财产安全,所以国外高档大客车的安全技术涉及的面十分广泛,在此只就最新的一些安全技术做简单介绍。主动安全技术——防患未然对大客车而言,由于采用平头结构,前方视野比长头车好得多,按理说安全性能应该增强了。然而,根据调查,正是因为大客车的平头视野好,给公路上其它使用者特别是行人增加了依赖心理,他们往往认为大客车的驾驶会清楚地看到前方的一切情况,并会及时作出相应的反应,所以反而容易发生交通事故。从世界汽车交通事故的基本规律来看,导致汽车交通事故的原因十分复杂,既有车辆自身的不安全性因素,也有人行为的因素,还有公路等环境因素。人一车一环境是影响汽车行驶安全性的三大要素,这三者之间是个相互制约的系统工程,必须进行全面的综合分析和研究,进行综合治理,使三者平衡,从而实现汽车安全运行的目的。驾驶员驾驶汽车时要完成一个对环境和车辆的感知一判断一操作的闭路循环系统,经过周而复始的循环完成汽车操纵和控制。所以,对大客车的驾驶员而言,必须具备相关的技能才能顺利完成工作;对车辆而言,就必须为驾驶者提供一个能适应人的生理特性的外部条件,以保证驾驶者能很好地完成上述循环,这就是汽车主动安全性的内涵。概括而言,高档大客车的主动安全性大体包含以下几个方面的内容:①视野性 日本三菱汽车公司与美国国家警察科学研究所合作的研究成果表明,驾驶在驾驶车辆过程中,通过直接视野获得的外界信息占安全驾驶所需要信息的95%以上;从静态视野过渡到动态视野、从视野与车辆之间的关系和车辆外界环境之间的关系研究认为,大客车防止事故,最重要的是促使司机觉察到行人。根据人机工程学和各种地形道路情况下的研究还表明,大客车的驾驶员最佳视野随着道路状况和车速的变化而变化。因此,良好的视野性能是客车主动安全性的重要组成部分。具体包括前方视野、后方视野以及特殊环境的视野。②操纵性能 驾驶者经过感知和判断后,通过手脚对汽车进行操纵控制,汽车能否按指令实现运动,也是汽车主动安全性的主要内容之一。未来大客车的操纵性能将包括智能转向、智能制动、智能加速系统等性能。③信息系统 未来客车的仪表、信号等信息系统将不仅为驾驶者和乘员提供汽车本身的状态信息,而且还能提供有关驾驶者注意力状态、车外环境基本状态等信息。目前,世界大型高档客车的主动安全性的研究主要围绕着以下几个方面进行:首先,对人的感知、判断和操纵特性的研究。这种研究包括:通过对驾驶者的普通条件下驾驶动作进行分析,通过对在紧急状态下回避行驶中障碍的驾驶动作进行分析,对不同年龄段的驾驶者受外界刺激时响应特性进行研究,对人在不同技术性能下的驾驶适应性的研究等,找出汽车行驶中发生“追尾”事故的原因。其次,交通心理学和人的生理特性的研究。目的是未来客车的操纵性能与人的生理特性相适应,从而减少交通事故的发生,奠定客车操纵性能设计的理论基础。汽车智能化的前期工作是用汽车的驾驶辅助系统弥补人的感知、判断甚至操纵方面的不足。再次,开展客车视野性能提高方面的基础研究。内容包括风窗玻璃的印象偏离分析与计测;后视镜振动特性模拟分析;智能前照灯系统;指示信号的易见度研究等。最后的研究属于人在特殊条件下的生理特性与驾驶行为倾向。目前广泛进行的有人的血液中酒精含量对人生理和驾驶行为的影响研究;外界景物照度急剧变化时人的视力变化规律和生理特性研究;行车速度与人的视觉变化研究等。客车的被动安全技术——平凡之中不平凡 虽然客车的主动安全性目标是要实现在交通事故发生之前就采取措施,防止交通事故的发生。但是,有关汽车交通事故原因的调查结果表明,由于驾驶者原因而造成的交通事故比例在全国都很高;如果加上环境等其他因素所造成的交通事故,则非车辆原因造成的交通事故比例高达95%左右。这就是说,即使未来汽车的主动安全性再好,也不能预防大部分交通事故的发生。因此,提高汽车本身在发生交通事故时保护乘员、行人免受或减轻伤亡的汽车被动安全性也是未来汽车安全的主要课题。除了我们现在所使用的汽车安全带和安全气囊等传统被动安全设备外,对客车而言,被动安全技术发展将集中在以下几个领域:①吸能式车体结构 客车发生碰撞时,车体结构的安全作用是在吸收汽车动能的同时减缓乘员移动的过程,并保证乘员有生存的空间。未来客车的车体结构设计中,要预先设计一个具有高吸能性的所谓“压扁区”,当车体受到撞击时,该区能以一种可以预见的形式发生断裂或破坏,在一定的行程内被压扁,从而最大限度地吸收车辆所受到的商击能量,使乘员不受直接撞击力,并大大减少间接作用力。另外,汽车的前后保险杠不仅要有吸能功能,还要考虑对行人的保护;车门结构要能提供侧碰撞保护;车门的受撞击后一方面要保证乘员不被甩出车外,另一方面又要能开启,为救助工作提供方便;车顶在翻车后不被压扁。为此,美、欧、日等的汽车生产企业正在利用计算机模拟碰撞试验等先进手段,进行汽车结构安全性设计。②乘员保护系统 未来客车的乘员保护系统是被动安全技术的核心系统。理论和实际经验都说明,仅仅有了吸能的车体结构缓冲“一次碰撞”还不够,还要依靠汽车乘员保护系统来吸收乘员动能、防止或减缓车内乘员与车内物体之间的“二次碰撞”。传统上,汽车的乘员保护系统由座椅、安全带、安全气囊等子系统组成。未来客车一方面将广泛利用和发展这些子系统的安全性能,另一方面还将开发新的功能或系统,以进一步提高乘员侧方碰撞保护、头部保护以及儿童乘员等的保护。③人体耐冲击性和伤害标准研究这是一个基础研究,它涉及工程学、人体解剖学、生理学和医学等领域。这项研究的主要内容是:根据人体生理学的医学把人体能耐受冲击定量化,用工程学观点来研究人对冲击的响应,以把握乘员保护装置的性能要求和需进一步完善的程度。由于各国目前都十分注意汽车的燃油经济性、汽车行驶安全性和汽车运行的洁净性,所以都积极鼓励公共交通的发展,这对大客车的发展无疑提供了重要的机遇。随着道路质量的提高,高档豪华大客车的市场前景将更好。(end)

在80年前的汽车上,很多装置的设计并没有现在发展得这么完善,我们这些仅仅考过了C1的人去开一辆老车,可能会觉得有些吃力:尺寸较大的无助力方向盘沉重的手感会让我们怀疑自己的臂力、狭小的后窗和反光镜带来的狭窄的视野使得倒车等操作很不方便。

摘要:汽车内部布置设计是汽车设计中以人为中心的复杂且重要的设计过程.本文论述了数字化三维人体模型技术,及其在虚拟的汽车内部人机工程学布置设计中所发挥的重要作用.列出了与汽车内部布置的相关的SAE标准。关键词:数字化三维人体模型 人机工程学分析 汽车内部布置 虚拟设计技术1 前言汽车是非常复杂的产品并需满足各方面的性能要求,其设计开发过程也由许多不同的工作阶段组成,而各工作阶段又需要使用多种不同的设计验证技术。只有采用新技术将整个产品的开发过程及其不同的工作方式进行全面的集成才能达到加速和优化设计的目的。数字化虚拟技术就是通过集成各种计算机技术,并充分发挥其应用潜能,使产品开发设计能够可靠地在计算机系统内,以数字化模型方式完成产品的设计和验证。在汽车开发中,虚拟技术有助于决策层及早对设计方案进行决策和进行跟踪管理;有助于加强异地的合作,共同解决技术难题;有助于在制造样车前进行反复验证和校核,从而及早发现和避免设计错误;有助于在产品投产前及早获取产品信息以进行市场调查。贯穿于产品开发全过程的数字化虚拟技术可使产品特性得到全面系统的优化,使开发周期大大缩短,开发费用大大减少,提高产品质量,最终提高企业在市场的竞争力。2 汽车内部布置设计汽车内部布置是一个从构思、设计到验证的复杂的系统工程.布置时要考虑众多的约束关系和人机工程的要求。汽车内部布置是“以人为中心”的设计,即以人为中心,在满足一定的约束条件下,运用人机工程学达到人-车-环境和谐的设计理念。汽车内部布置设计是同时进行多方面布置的设计过程,也是不断反复递进寻求最优化方案的设计过程。汽车内部布置主要任务是:①车型主要布置尺寸确定:乘员布置;整车主要尺寸确定;踏板,换档杆及手刹位置布置;转向盘及转向管柱布置;行李箱布置;侧车窗玻璃;顶盖位置;座椅及仪表板布置等。②人机工程学研究:确保驾驶员及乘员的居住舒适性,安全性,以及驾驶员的操纵方便性和具有良好的视野等。③法规符合性校核:风窗面积及雨刷布置;手伸及界面;仪表板可视范围;内外后视镜视野;安全带固定点等。在满足这些要求的同时,还要尽量减小整车质量,增大车室内空间,提高整车的经济性能。在传统的设计中,工程师使用二维人体模板在二维主图版上进行汽车内部布置设计,无法事先对踏板、换档杆、转向盘的操纵性和坐姿及视野性等性能进行空间位置的评估和验证,只有在制作了物理样车后由一定比例的人进行实际的驾驶操作才可完成验证.如今,由于计算机技术的发展和应用,在汽车开发中已广泛采用CAD 方法进行三维数字化设计,以三维数据为主线,使用虚拟样车来优化产品设计和验证过程。因而,数字化三维人体模型相应地在汽车内部布置的人体工程学模拟和分析中发挥其潜能和优势。3 数字化三维人体模型在产品周期的各个阶段,人都是最重要的因素。数字化三维人体模型可有效地应用在汽车虚拟设计及制造的整个生命周期,从初始的概念方案设计至最后的产品验证。数字化人体模型技术可辅助设计者确定人在相应的工作环境下的性能,确定人体尺寸/形态/功能及其定位,满足舒适性和安全性标准的要求。如图1 所示,在虚拟的CAD 设计数据中,可调入此虚拟的人体模型,完成操作任务和分析工作。通过三维人体模型可运用数字人体和电子样车进行与人相关要素的模拟分析校核,如人的可操作性,舒适性,可视性等重要设计要素。在汽车内部布置过程中应用数字化三维人体模型可提高设计效率和设计质量;改善安全性及人机工程学性能;减少物理样车的制造及验证工作和周期。

汽车从出现起到发展到今天的技术水平,经历了一百多年,然而即便如此,汽车依然不是完美无瑕,现在汽车还是在不断地进行优化与改进。

图1 数字化三维人体模型应用在CAD 设计中

那么上百万的汽车工程师们研究了上百年,汽车到底改进了一些什么?

波音公司、通用公司、戴姆勒-克莱斯勒公司等这些大的飞机和汽车公司已将数字化三维人体模型越来越广泛的应用于产品生命周期的各个方面和各个阶段.CATIA,EDS 等大的软件公司,也相继推出数字化三维人体模块供用户使用并不断补充及完善。现以CATIA 的人体模型模块为例简要说明数字化三维人体模型的主要功能。该三维人体模型包括4 个子模块:构造人体模块,生成可与产品相配合的人体模型;编辑人体尺寸(Human Measurement Edit)模块,可对人体模型的各部分的尺寸进行有比例地调整;人体动作分析模块, 对人肢体进行由静态姿势到复杂的动态动作的评价;人体姿态分析(Human Posture Analysis)模块,进行人体各种姿态的分析。此人体模型包括有104 组人体测量数据;100 个无约束的连接;148 个自由度;各种姿势轮廓;包含所有关节的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型;可表现关节活动的制约及动作运动的上下极限并可进行调节。此模块具有如下几方面用途:测量人体尺寸;视野分析;坐姿分析;运动舒适角度分析;伸及范围分析;举升、放下和搬运分析;设计干涉检查;运动模拟等。4 按SAE 标准进行汽车内部布置时涉及到的人体工程学内容在进行汽车内部布置时,SAE 中有如下用于驾驶员和乘员的人体工程学研究和设计的相关标准。5 应用数字化三维人体模型进行汽车内部布置及设计校核数字化三维人体模型在汽车内部布置设计及校核中承担着人机工程学的布置设计及校核验证的重要角色。图2 所示为数字化三维人体模型在一汽车内部布置中的应用实例。它协助汽车设计工程师进行一系列乘员内部居住性的布置优化工作,主要包括:协助确定汽车主要控制尺寸;确定不同人体尺寸的驾驶员及乘员的乘坐位置和驾驶姿态;对人体乘坐姿态及其舒适性进行分析和评估;确定踏板、转向盘、操纵杆、仪表及控制按纽等零件的布置位置,并进行操作合理性评价;模拟乘员上下车姿态以评估上下车方便性;驾驶员及乘员的座椅位置确定及安全带的固定位置的确定;模拟座椅的滑动、及杆件操纵的运动过程并进行评价;校核驾驶员驾驶过程中的直接视野和通过内外后视镜的间接视野的法规符合性;协助进行仪表板布置和仪表板盲区的校核;确定合理的车内宽度和头顶空间;分析人体重量在座椅上的力的分布;对手及脚对操纵部件操作时所施加的力进行评估;同时检查设计间隙及干涉分析,最终记录数据并输出优化的布置结果。

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图2 数字化三维人体模型在汽车内部布置中的应用

改变的有我们一眼看不到的:发动机技术、车身材料及连接技术、电控系统等,也有我们一眼就能看出来的:汽车外形、内饰以及车内部空间的设计优化等。而这些技术的发展,尤其是内部空间的优化,离不开人机工程学这一功臣。

6 结论与展望数字化三维人体模型为汽车内部布置的虚拟设计提供了一个有利的工具。随着虚拟技术的发展,虚拟现实技术也被应用在汽车的虚拟产品开发过程中。例如,可以利用一个虚拟的座位把虚拟现实技术与物理模型联结在一起,让驾驶员戴着头盔和数字手套感知汽车驾驶室的内部空间的布置来评价虚拟的布置状况,检查内部空间设计的可操作性和舒适性。虚拟设计和验证技术将越来越广泛的应用于产品开发中。参考文献1 SAE Recommended Practices2 Joachim Rix, André Stork, Combining ergonomic and field-of-view analysis using virtual humans,Fraunhofer Institute for Computer Graphics, Darmstadt, Germany,20013 郭竹亭主编. 汽车车身设计. 吉林科学技术出版社,19924 温吾凡. 汽车人体工程学. 吉林科学技术出版社,19915 CATIA – Manikin User Manuals, 2002 年6 EDS - Jack User Manuals, 2002 年(end)

人机工程学——汽车技术的助推剂

如果说汽车工程师除了汽车的结构、原理等知识外还有什么是必须掌握的基础知识,那一定是人机工程学。

“人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案,亦即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计及其布置和作业系统的组合等进行有效的研究,目的在于获得最高的效率和作业时感到安全和舒适”——W.E.Woodson

人机工程学使得汽车的设计越来越人性化,在它的指导下,人们在追求汽车舒适性的路上少走了很多弯路。

让汽车属于人——汽车上的人机工程学

每一个人在驾驶汽车时都会希望它能读懂我们的想法,能轻松方便地驾驶并能带给我们舒适的感受,而不希望它是一台与我们毫不相干不为我们考虑的冷冰冰的机器。人机工程学在汽车上的运用便使得汽车真正成为人的汽车。

对于一辆汽车来说,汽车内部是乘员的主要活动空间,如何将这一空间设置的操作方便、乘坐舒适和安全可靠,是人机工程学设计的主要内容。

图片 2车内人机工程学设计主要涉及到以下几个方面(参考《汽车人机工程学》.任金东):

乘员坐姿和座椅布置满足舒适乘坐要求;

保证车内必须的空间以确保驾驶员操作灵活准确,后排乘员能自如调整身体姿态,以增强舒适性和安全性;

操纵装置的布置位置和作用力大小应符合人体操纵范围和操纵力特点,使驾驶员操纵自然、迅速、准确、轻便,以降低操纵疲劳;

驾驶员视觉信息系统适合人眼视觉特性和驾驶员视野要求,且能及时获得正确的驾驶信息;

具有符合人体运动特点和车内环境的被动安全措施。

随便长长?我拒绝

在汽车内部的设计中,每一个人部分的存在都有其合理性和作用,每一个细节都是经过了反复设计和修改的结果。

图片 3如东风日产西玛上搭载的3D平视信息显示系统,共集成了8种信息显示:油耗信息显示,预警式安全信息系统、多媒体、底盘信息显示、胎压监测、导航信息系统、行车电脑、来电信息显示。采用的3D立体效果,极大提升了信息易读性,缩短了识别时间,令信息易读性提升了50%,识别时间缩短了10%。对于在行驶状态下的驾驶员而言,能够在短时间内迅速清晰地读取需要的信息,保障了行车安全。同时,3D效果可以使眼部疲劳降低50%,大大降低了眼睛的疲劳感。

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