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现代设计方法
现代设计方法
现代设计方法
现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。
1.并行设计2.虚拟设计3.绿色设计4.可靠性设计5.智能优化设计6.计算机辅助设计7.动态设计8.模块化设计9.计算机仿真设计10.人机学设计11.摩擦学设计12.疲劳设计13.反求设计14.无障碍设计15.共用性设计
一、并行设计
并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。
强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。
并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:
基于人员协同和集成的并行化。
基于信息、知识协同和集成的并行化。
并行工程应用于整车项目开发案例研究
一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。
以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。
而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。
运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%～50%。
设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。
在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。
在产品开发的早期阶段解决设计问题，所冒的风险和损失最小。
二、虚拟设计
在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。
虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。
它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。
机电产品的虚拟设计要以计算机技术（尤其是计算机网络、通信技术）为基础。
对机电产品虚拟设计平台的建立应该包括三个层次的内容:
一是产品模型的建立以及产品设计的优化;二是对产品（包括各部件）的评价和验证，比如产品性能评价、可制造性的评价;三是产品模型以及相关信息的传输。
要实现虚拟设计过程中产品信息的共享，一般采用了STEP（产品模型数据交换标准）的格式。
在这些基础上可以建立机电产品虚拟设计系统，该系统集成了CAD/CAM系统、PDM系统、专家系统以及网络、通讯等系统。
汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例
汽车研发典型流程中，首先利用虚拟产品开发技术和结构分析CAE软件确定产品设计方案，然后进行零部件详细设计、设计文档发放并实施加工过程。
（1）车身设计阶段使用One-Step仿真软件进行快速冲压成形性校核，可大大减少设计返回带来巨大损失。
（2）模具设计阶段采用Increment仿真软件进行冲压仿真分析，可大大减少模具调试时间。
实际工作中，经常出现某些车辆冲压件成形困难不不返回设计部门更改设计现象，不不牺牲总体性能来解决局部设计问题。
解决该问题最好办法是对车辆件设计后立刻进行成形性校核，发现问题及早解决。
由此产生了一步逆成形（One-StepForming）软件，如瑞士AutoForm.Eng.公司AutoForm/One-Step、加拿大FTI公司Fast3D、法国SIMTECH公司SIMEX以及我们自主开发KMAS/One-Step软件等。
1、市场调研
在市场调研阶段，将产品的绿色因素作为调研时的一项重点内容。
在此阶段，对产品在人、资源与环境等方面存在的绿色缺陷做出调查研究，并进行分析，形成理性的调研报告。
2、概念设计
在具体的产品设计流程中，将通过市场研究所得来的绿色机遇，通过草图设计-方案筛选-方案设计流程，把功能、造型、色彩、人机等诸因素融入到产品设计中去。
3、方案确定
对概念设计方案进行评估，得到最终确立方案。
对方案的评估有两个方面，一是在设计、制造、包装、运输、消费、报废和回收过程中，废弃物的量作为衡量标准，尽可能的减少该过程中废弃物的量，二是看产品的在使用过程中，是否能够很好的让消费者感受到产品的绿色因素，可着重于考察产品的人机、形态和色彩。
4、详细设计
在产品的详细设计阶段，继续深化产品的绿色因素，进行详细的产品设计。
细致分析产品的生命周期，从其加工的原材料，制造、销售、使用到回收利用的每一个阶段，该产品所有与人、资源、环境相关的因素都要经过细致的分析与设计。
绿色设计融入工业设计是工业设计发展的必然趋势，它会使工业设计理论更为充实，使工业设计更加符合人类社会发展的要求。
在产品设计中提出绿色设计绝非偶然，它是工业产品设计发展的要求，是符合新世纪绿色消费浪潮的。
四、可靠性设计
机电产品的可靠性设计可定义为:
产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。
用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。
可靠性常用的数值标准有:
可靠度（Reliability）、失效率（FailureRate）平均寿命（MeanUfe）。
通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容:
1.明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。
2.系统可靠性建模。
3.可靠性可预测。
4.可靠性的分配。
汽车可靠性设计的基本内容
（1）从系统方面考虑
确定整车的可靠性数据指标
确定汽车的工作环境
确定整车的系统的构成及配置
实施可靠性预测和分配
决定易操作性基本要求（人机可靠性）
决定维修性基本要求
决定安全性基本要求
可靠性设计评审
修改设计方案
确定整车或零部件的运输、包装以及保管要求
各项指标的综合平衡
（2）从零部件方面考虑
确定总成或零件的可靠性要求。
制定出零件可靠性一览表。
制定出高可靠性零件一览表。
指出可靠性不佳的零件。
确定零件寿命。
确定零件的失效率。
重要的零件采用概率设计方法。
关键零件的可靠性试验计划。
采用标准件和质量稳定、设计成熟、制造水平高的零部件。
贮备设计:
考虑采用冗余（贮备）设计法和备件的使用。
（3）从外购件方面考虑
收集外购件使用中的反馈信息，掌握外购件供应厂的设计和制造能力。
对外购件提出性能要求、可靠性要求以及相应的定量指标。
审查提供产品的工厂试验数据（或质量保证书）资料，其中包括可靠性数据、质量指标等等。
接收提供产品的工厂编制的产品设计、使用说明书。
对确定认购的产品作入库检验。
定期进行确认试验。
（4）从人机工程方面考虑
便于驾驶员操作具有良好的操纵性能和适宜的操作范围。
视野、灯光、反照镜等设计都要有利于提高驾驶员的辨清能力。
舒适性设计不易使驾驶员产生疲劳。
易于操作辨认，防止产生误操作采用易于操作，使用方便、失误动作较少的结构，设计防误操作的装置。
信息显示设计各种仪表（里程表、转速表、油量指示表等）、指示灯、巡航系统等等。
车内环境空调、灯光、制动、噪音、振动、音响等等。
色彩效果以及心理影响因素的考虑。
（5）从汽车产品制造方面考虑
选用先进的加工设备以及工具、量具、卡具。
正确的工艺设计以及工艺流程。
材料的可靠性试验或质量验收试验。
外协产品的接收试验。
制造人员的培训和教育。
制造过程的管理。
制定正确的操作规程。
制定正确的维修或安装调试规程。
具备适用的维修或安装调试设备和工具。
做好售后服务。
在生产线上作在线检查。
定期进行质量分析。
五、智能优化设计
随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。
解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。
智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。
实现的手段
（1）模糊设计。
模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。
现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。
（2）神经网络优化设计。
神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连接，并构成各种连接模型。
它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。
为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。
通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。
轴类零件粗糙度设计模糊策略
粗糙度设计矩阵ROUGHD
ROUGHD=[F1…Fj…Fn]Tn×m]（3）其中:
Fj为第j个设计因素的置信矢量;n为设计因素数量;m为设计因素的最大状态数量,不足补零。
基于最小距离的择近原则是模糊技术中的主要模糊识别方式。
Distance（A,B）=1n{Σnj=1（μAj-μBj）2}
若令用户输入的粗糙度为:
RoughD:
RoughD=[F1…Fj…Fn]，则粗糙度模糊设计工作就是要将RoughD归于知识库{ROUGHD}中距离最小的一个ROUGHD,从而获得粗糙度参数大小。
六、计算机辅助设计
机械计算机辅助设计，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。
计算机辅助设计的过程,首先进行功能设计,选择合适的科学原理或构造原理,然后进行产品总图的初步设计、产品选型和外型的初步设计;从总图派生出零件,对零件的造型、尺寸、色彩等进行设计,对零件进行有限元分析,使其结构及尺寸与应力状态相适应;对零件进行加工模拟,对其性能做出评价、分析和优化,最终完成零件的工作图;在计算机上制定零件制造工艺,在相应的设备上制造出零件。
现代CAD系统的功能包括:
（1）设计组件重用（Reuseofdesigncomponents）
（2）简易的设计修改和版本控制功能（Easeofdesignmodificationandversioning）
（3）设计的标准组件的自动产生（Automaticgenerationofstandardcomponentsofthedesign）
（4）设计是否满足要求和实际规则的检验（Validation/verificationofdesignsagainstspecificationsanddesignrules）
（5）无需建立物理原型的设计模拟（Simulationofdesignswithoutbuildingaphysicalprototype）
（6）装配件（一堆零件或者其它装配件）的自动设计
（7）工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表（BillofMaterials）
（8）设计到生产设备的直接输出
（9）到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出
七、动态设计
动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。
动态设计通过建立监测系统和信息反馈有利于控制施工安全，并不断地将现场情况及变化反馈到设计单位，以便调整完善设计。
传统的机械设计主要是依据静态条件下强度、刚度、稳定性及结构要求和材料选择来进行设计的，机械领域的动态设计则以系统论，控制论为依据，在一定的位移，速度，力和力矩的干扰下对影响整机性能非常重要的战术指标（包括响应速度、跟踪精度和动态稳定性等）进行设计。
机械动态设计的理论与方法主要包括以下四个方面：
动力学建模，动态特性，计算实物试验，模型试验与试验建模，机械结构动力修改
八、模块化设计
结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。
九、计算仿真设计
根据工程机械不同的作业功能，在计算机上模拟各种作业过程，以分析和确定各种状态下的作业参数，研究工程机械各系统主要部件的结构合理性，借助数学实验等方法预估工程机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。
空调系统计算机仿真设计实例
运用了计算机控制程序用VisualBasic语言编写,其中用到重要的通信控件———MSComm。
该控件使各自控设备与计算机得以沟通,实现了计算机对空调房间内温度、湿度、CO2浓度的监测及对电动调节风阀、电加湿器、新风口的自动控制。
空调系统的计算机监控原理
①主窗体,即“空调系统的计算机仿真”窗体。
②“控制”子窗体。
③“系统图”子窗体。
④“历史记录”子窗体。
⑤“曲线图”子窗体。
⑥“帮助”子窗体。
⑦“关于我的应用程序”对话框。
⑧标准模块。
十、人机学设计
应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等.
所谓人性化产品，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。
学生电脑椅人机工程学设计说明
1人的身体姿势与腰椎形状的关系:
（1）人的背后仰和放松时，椎间盘内压力最小。
（2）靠背倾斜角越大，肌肉负荷越小。
（3）5cm厚的短靠腰（靠住腰部，也叫地靠腰），与最简单的面的靠背相比，可降低椎间盘压力，减轻肌肉负荷。
（4）靠背最佳倾斜角（与程度面夹角）为120°，坐面最佳角度（与程度面夹角）为14°，靠背应力5cm厚的地靠背支撑着身体上部分的重量，从而减小了椎间盘内压力。
2根据人的身体姿势与腰椎形状的关系确定学生座椅的具体人机设计要素：
（1）高度可调。
办公椅的高度调节范围为38-53cm。
（2）可防止座椅滑动和翻倒。
椅脚应设计5个，等分在直径为40-45cm的圆周上。
（3）给人留有足够的活动空间。
需要时常站起来的座椅应采用小脚轮。
（4）应保证腿的活动空间，以减轻腿的疲劳。
（5）坐面应为40～45cm宽，38～42cm长，坐面中部稍微下凹，前缘呈弧球面，坐面后倾4°～6°。
（6）坐面的材料应透气而且不出溜（例如毛料），以增加坐面的舒服感。
（7）在座椅右侧扶手旁边设置一个可以上翻后旋转的键盘和鼠标的操作台，使座椅与显示器荧幕之间的间隔有更大的自由度同时利于腾出电脑桌空间。
此附带加上装置可配合电脑桌拥挤时使用，观看视频或图片（画手绘就利便了）
十一、摩擦学设计
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。
世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。
如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。
另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。
摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：
①动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带-录音头等；②零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；③机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；④弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦（见地面车辆力学）、弹性密封的动力渗漏等；⑤特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。
此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。
地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。
在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。
十二、疲劳设计
材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
发展趋势
飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。
疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。
由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。
发展趋势是：
①宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型。
②研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。
③概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。
十三、反求设计
反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理（数据采集、数据处理），并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型（曲面模型重构），并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。
逆向设计的流程示意：
产品样件→数据采集→数据处理CAD/CAE/CAM系统→模型重构→制造系统→新产品。
十四、无障碍设计
这个概念名称始见于1974年，是联合国组织提出的设计新主张。
无障碍设计强调在科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、设备的规划设计，都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者（如残疾人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。
无障碍设计首先在都市建筑、交通、公共环境设施设备以及指示系统中得以体现，例如步行道上为盲人铺设的走道、触觉指示地图，为乘坐轮椅者专设的卫生间、公用电话、兼有视听双重操作向导的银行自助存取款机等，进而扩展到工作、生活、娱乐中使用的各种器具。
十五、共用性设计
共用性设计UD（UniversalDesign）是指，在商业利润的前提下河现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具﹑环境﹑系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使用者（例如残疾人﹑老年人等），在不同的外界条件下能够安全﹑舒适地使用的一种设计过程。
实例
日本松下电器公司一直在潜心研究和开发的“共用设计”理念产品NA-V80GD斜式滚筒洗衣机，在外观方面创造性地将滚筒洗衣机的前开门倾斜了30°，变为斜向开门，它可以让不同年龄﹑身高﹑性别和特殊人群（包括残疾人）都能安全﹑方便的使用。
1.机械设计理论和方法1.机械设计理论与方法的重要地位机械设计理论与方法在国民经济中占有重要地位。
如果没有先进的设计方法和理论基础一个国家是没有实力去为经济发展各部门提供可靠的性能优越的技术装备也就是说方法和实践是相辅相成的同时具备这两个条件才能真正强大一个国家、一个民族。
与传统的机械民计方法相区别而提出的机械设计现代理论如方法是将现代民计理论运用于机械产品设计的全过程。
2.传统与现代的简单比较⑴传统的机械设计大多凭经验选用数据用类比法和模拟法确定机器的结构用静强度理论对机器的零部件进行常规设计设计计划、方案设计、总体院计与施工设计（根据零件的失效型式分析一一设计准则的确定一一确定零部件的材料、几何形状及尺寸）⑵现代机械设计理论和方法从过去经验的、类比的、静态的和手工计算的设计方法逐渐发展到科学的、动态的和计算机辅助设计的先进科学设计方法。
由于机械设计理论与方法应用性很广它在提高了自身装备设计质量和设计效率的同时为其他行业带来了翻天覆地的变化。
2.现代机械设计方法简介1.技术预测技术预测是以科学与生产发展需要为前提、以经济和市场发展顶测为基础。
技术预测对边择有发展前途的设计课题十分重要。
其中最常用的是外推法、系统分析、参数分析、数学模型、线性规划等多种方法。
2.近代数学物理方法的应用机械产品是一种组合体它的内应力计算收到材料和不同的计算方法影响。
设计过程中要利用电子计算机和近代数学物理方法做大量的结构组合和分析研究工作,包括成套产品的多方案比较分析。
当前应用较广的有有限差分法和有限元素法。
（1）有限差分法有限差分法的原理是把场的偏微分方程加以离散化变为近似的差分方程用算术求解。
这些差分方程是联立的线性方程一般采用下述方法求解。
（2）有限无法〈简称FEM）有限元法是利用大型计算机把一个整体结构分成有限个力学小模型后再去分析整体情况通常能很好的解决形状和载荷方向比较任意的问题。
3.可靠性设计经典的机械强度计算方法是依靠安全系数来补偿对材料及载荷知识的不足。
而可靠性设计是把所有的变量均当作随机变量处理比选取因人而异的安全系数值更加可靠。
在可靠性设计中概率论占据了主导地位。
4.最优化技术在机械设计中通过选取合理的参数使质量、重量、体积、用料达到最佳组合这类问题在数学上称为最优化问题。
一般可分下述三类:
（1）直接解法如随机试验怯、随机方向搜索法
（2）间接解法如消元法、拉格朗日乘子法（3）无约束最优化方法如鲍威尔法、共辄梯度法。
在机械零件的优化设计方面已用于滑动轴承、齿轮传动、弹簧设计、轴等其中尤以关于齿轮传动优化设计的研究发展最为迅速。
5.人一一机学的设计机器和人的完美结合一直是设计者的最佳方案在人——机学设计方法中我们能找到最优组合。
6.模拟设计法产品的设计不可能之际进行加工再试做之前设计者会根据自己的方案制作模型从而分析结果的合理性。
一般分为以下三个方面
（1）物理模型根据相似理论把实际产品缩小后进行试验
（2）模拟计算机的应用通过示波器分析机构中的震动和瞬变（3）数字叶算机的模拟技术,适用于高精度灵活性较大产品的设计。
7.动态设计法为了了解尖峰载荷和完整的载荷谱从而确定机器的结构
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