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基于既往优化知识的稳健性优化方法

中国舰船研究 2022年第2期17卷 148-155页

作者：吕国臣程远胜易家祥刘均华中科技大学船舶与海洋工程学院湖北武汉430074

[目的]由于直接运用嵌套差分进化算法求解区间不确定性稳健优化问题十分耗时,提出一种能够减少耗时函数调用次数的稳健性设计优化方法。[方法]该方法利用临界距离内已经精确计算过的个体响应值的信息近似预测其他个体响应值,以此近似评... 详细信息

[目的]由于直接运用嵌套差分进化算法求解区间不确定性稳健优化问题十分耗时,提出一种能够减少耗时函数调用次数的稳健性设计优化方法。[方法]该方法利用临界距离内已经精确计算过的个体响应值的信息近似预测其他个体响应值,以此近似评估个体稳健性指标;利用进化过程中逐步扩充的精确个体响应值的信息,选择性地重新评估已往个体的稳健性,并根据评估误判率自适应调整临界距离。[结果]2个数学算例和1个工程算例的验证结果表明,提出的算法在最优目标误差小于2.5%时,节省了94%以上的计算资源。[结论]所提方法能够结合既往优化知识,极大地减少精确计算内外层个体响应值的次数,实现个体稳健性评价精度和成本的自适应动态平衡,为区间不确定性稳健设计优化提供一种新的思路和方法。

关键词：稳健性优化区间不确定性差分进化算法既往优化知识

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盘式制动器消音片稳健性优化

计算机仿真 2023年第3期40卷 147-152页

作者：黄泽好邓洋李晓灵雷伟重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室重庆400054 重庆理工大学车辆工程学院重庆400054 力帆科技(集团)股份有限公司重庆400707 南方天合底盘系统有限公司重庆402760

以某轿车盘式制动器为对象,采用复特征值分析方法研究消音片对制动尖叫的抑制作用。消音片阻尼层与金属层的弹性模量、密度、厚度等参数的灵敏度分析结果表明,对不稳定倾向系数TOI有显著影响的参数是金属层厚度和弹性模量,以及阻尼层弹... 详细信息

以某轿车盘式制动器为对象,采用复特征值分析方法研究消音片对制动尖叫的抑制作用。消音片阻尼层与金属层的弹性模量、密度、厚度等参数的灵敏度分析结果表明,对不稳定倾向系数TOI有显著影响的参数是金属层厚度和弹性模量,以及阻尼层弹性模量和密度;以灵敏度显著的参数为变量构建Kriging模型得到优化目标函数,同时考虑参数的不确定性,进行消音片6 Sigma稳健性优化,得到的模态负阻尼比结果为0.355%,表明制动器优化后的NVH性能满足要求,且工艺性好。

关键词：消音片制动尖叫复特征值分析稳健性优化

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基于方差量化的多保真度代理模型辅助稳健性优化设计方法研究

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基于方差量化的多保真度代理模型辅助稳健性优化设计方法研究

作者：程萌华中科技大学

学位级别：硕士

稳健性优化设计是求解工程产品优化设计问题的常用手段,能够有效降低不确定性因素对工程产品质量的负面影响。多保真度代理模型能够融合不同精度数据,通过构建数学模型代替昂贵的仿真分析模型以降低建模成本。多保真度代理模型辅助稳健... 详细信息

稳健性优化设计是求解工程产品优化设计问题的常用手段,能够有效降低不确定性因素对工程产品质量的负面影响。多保真度代理模型能够融合不同精度数据,通过构建数学模型代替昂贵的仿真分析模型以降低建模成本。多保真度代理模型辅助稳健性优化设计能够充分利用代理模型的优势来显著提高稳健性优化效率,在工程产品优化设计中有巨大潜力。然而,目前研究仍然存在一些不足:(1)现有的多保真度近似建模方法大多数只适用于有两个分析模型的场景,且假设分析模型之间存在清晰精度层级,不能解决存在多个低精度分析模型且其精度不可分层级的工程问题。(2)目前稳健性优化方法和多保真度代理模型大多属于静态结合,基于一次性试验设计构建的代理模型并未进行序贯迭代更新,难以满足精度要求,同时通过固定样本点数据获得的设计方案偏保守。针对以上不足,本文开展了面向低精度分析模型不可分层级的多保真度代理模型辅助序贯稳健性优化设计方法研究,旨在拓宽多保真度代理模型应用场景和提高稳健性优化求解效率,主要研究内容包含以下三个方面:(1)提出了基于方差量化的多保真度近似建模方法。针对低精度分析模型不可分层级情形,提出的方法使用方差量化每组低精度数据的不确定性,对其进行评估加权以组合构建趋势函数,在放松低精度分析模型之间层级关系的同时,充分挖掘低精度数据的有用信息。引入改进层次Kriging模型来融合高/低精度数据,使得趋势函数的修正系数能够根据设计空间形貌特征进行变化取值,实现高精度分析模型和不可分层级低精度分析模型的有效融合。通过数值算例对提出的方法进行测试,结果表明提出的方法预测精度相比同类型方法提高85%以上。(2)提出了基于多保真度置信上界准则的序贯稳健性优化方法。在基于方差量化的多保真度近似建模方法的基础上,提出的方法综合考虑设计变量不确定性和代理模型插值不确定性,建立多保真度置信上界准则。在序贯更新过程中考虑成本比和聚集采样的影响,根据代理模型提供的信息来量化候选样本点对寻优的贡献度。此外,拓展建立适用于含约束优化问题的约束序贯更新准则。通过数值算例对提出的方法进行测试,结果表明提出的方法与静态优化方法相比能够以更高的收敛速度获得更优解,实现成本节省50%左右。(3)开展了水下结构物隔振器的稳健性优化设计。根据隔振器在额定载荷下刚度、强度、几何尺寸约束和拓扑成型条件等工程要求,应用提出的基于方差量化的多保真度代理模型近似其耗时目标函数和约束函数。在此基础上,综合考虑隔振器几何加工误差和代理模型不确定性,应用提出的基于多保真度置信上界准则的序贯稳健性优化方法,获得满足固有频率(目标函数)的设计方案。结果表明,通过提出的方法获得的隔振器优化设计方案满足问题可行性稳健性要求,优化解对应的固有频率和期望值的相对误差仅为2.0512%,求解精度相比静态优化方法有显著提升。

关键词：多保真度代理模型稳健性优化 Kriging模型置信上界准则隔振器优化设计

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中低速柴油机电控喷油器稳健性优化研究

中低速柴油机电控喷油器稳健性优化研究

作者：梁成根重庆理工大学

学位级别：硕士

电控喷油器作为电控燃油喷射系统的最终喷射端,决定着燃油的喷射质量。目前,其核心技术主要由国外发达国家掌握,而我国虽然在电控喷油器的设计、分析及优化方面已有很多学者和科研机构进行了相关的研究并取得了不错的成果,但与国外企业... 详细信息

电控喷油器作为电控燃油喷射系统的最终喷射端,决定着燃油的喷射质量。目前,其核心技术主要由国外发达国家掌握,而我国虽然在电控喷油器的设计、分析及优化方面已有很多学者和科研机构进行了相关的研究并取得了不错的成果,但与国外企业相比,仍存在着一定的差距,对于在电控喷油器整体性能的可靠性和稳健性的研究涉及并不深,尤其是稳健性方面有必要进行深入研究分析。本论文以某型国产低速柴油机电控喷油器为研究对象,采用理论与仿真建模相结合方法,对电控喷油器进行了仿真模型标定、结构参数分析、稳健性优化和内流场仿真验证,具体研究工作和结论如下:(1)依据电控喷油器的结构组成及工作原理,基于AMESim软件完成了仿真模型的搭建。定义了试验中难以测量的7个参数作为调整变量,采用最优拉丁超立方(OLH)采样方法完成了对仿真模型的标定。结果表明:循环喷油量q、喷油器开启响应过程ac和关闭响应过程df的仿真值与试验值在不同工况下最大误差均在10%之内,证明了模型标定的准确性。(2)为分析喷油器参数的影响特性,采用单因素和部分因子试验方法探究了参数的取值高低水平和影响性能指标的显著性程度。结果表明:球阀直径Dball的变化对针阀开启延迟时间ab和关闭延迟时间de的影响最大,且为竞争关系;针阀升程L的变化对针阀开启时间bc、针阀关闭时间ef和循环喷油量q的影响最大,且影响为同一性;针阀至喷嘴下腔间阀口直径Dvalve、电磁阀弹簧刚度Rsolv、针阀弹簧刚度Rspring和参数间的交互作用均未对各性能指标起显著性作用;其余10个参数则对不同性能指标起到不可忽略的作用。(3)基于AMESim与Isight软件联合仿真的方式,采用均值可靠性采样方法和遗传算法进行了电控喷油器显著性参数的确定性与6σ稳健性分析和优化。通过确定性优化得到了使针阀开启时间bc与关闭时间ef最短的最佳优化方案。但该方案下约束条件针阀开启延迟时间ab、针阀关闭延迟时间de和循环喷油量q的稳健性较低。考虑随机变量的影响,通过6σ优化并进行容差调整得到了约束条件质量水平均在3σ上的稳健性方案。(4)为验证稳健性优化结果的可行性,采用FLUENT软件中动网格技术模拟了针阀的关闭运动,分析了针阀在运动过程中的压力变化和空化现象影响情况。结果表明:喷嘴下腔燃油压力会随着针阀的下压而短暂提高然后迅速降低,随着燃油喷射启闭阀口的减小,喷嘴下腔燃油的压力又逐渐增高至与进油口压力一致。优化后喷油器空化现象主要发生在喷孔位置处,尤其是喷孔近壁面处。

关键词：电控喷油器标定 DOE 稳健性优化内流场仿真分析

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金属铣削特性分析及铣削参数稳健性优化设计

金属铣削特性分析及铣削参数稳健性优化设计

作者：王文浩湖南大学

学位级别：硕士

机械加工制造业是国民经济发展的支柱行业,而铣削加工作为应用甚广的金属材料加工方式之一,提高铣削加工质量、铣削产品竞争力,对于我国的机械制造业发展具有重要意义。然而,铣削加工过程破坏变形大,使得利用工程常用的有限元分析方法... 详细信息

机械加工制造业是国民经济发展的支柱行业,而铣削加工作为应用甚广的金属材料加工方式之一,提高铣削加工质量、铣削产品竞争力,对于我国的机械制造业发展具有重要意义。然而,铣削加工过程破坏变形大,使得利用工程常用的有限元分析方法对铣削加工切削特性进行分析时面临着网格畸变,工况难以计算等难题;同时,针对铣削加工质量的加工参数优化设计多局限于认定加工参数在加工过程中为确定值,忽视了参数波动对加工后质量的影响。针对以上问题,本文主要有两个研究目标:一是建立便捷高效且稳定的铣削工况仿真计算模型,实现切削特性的快速分析输出;二是考虑铣削加工参数的波动性,进行机床铣削质量的参数优化设计,主要的工作内容及成果如下:(1)提出了一种基于无网格法的铣削仿真模型,通过光滑粒子模型代替铣削工件,并针对铣削过程的主要受力对象对模型进行了简化,完成了铣削工况的仿真分析。仿真结果表明:所建立的铣削仿真模型有效地避免了网格畸变现象,且模型可以较准确地输出目标工况铣削力大小。(2)利用仿真模型输出铣削力,开展影响铣削力的切削要素参数化分析,并对铣削力经验计算公式进行多元线性回归拟合。理论分析表明:切削三要素中背吃刀量影响铣削力大小最为明显,其次是每齿进给量与切削速度;拟合的铣削力经验公式较为准确,可以完成给定工况的铣削力快速预测。(3)通过蒙特卡洛法来模拟铣削加工时的参数波动现象,基于近似模型与遗传算法,以降低铣削力、提高铣削质量为目标开展铣削参数的稳健性优化设计。理论分析表明:稳健性优化设计较比常规确定性优化输出解的可靠性大大提高,保证铣削质量的情况下成功输出了更为稳健的最佳工艺参数。(4)对机床的主轴模型进行刚度验证及动态特性分析计算。计算结果表明:机床主轴的刚度满足设计要求,计算得到的主轴临界转速可为加工参数选择提供指导。本文在理论方面为铣削机理的仿真研究给出了新的建模思路,并且所提供的铣削质量稳健性优化思路可以应用于其他加工方式的参数优化设计中。在实践方面,所建立的铣削力经验公式可以用于实际生产时铣削力的快速预测,稳健性优化设计输出的高可靠度结果以及主轴的临界转速计算结果,对实际生产时的工艺参数选择提供了良好的借鉴意义。

关键词：铣削加工 SPH-FEM耦合多元线性回归近似模型稳健性优化

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被动式动力吸振器稳健性优化设计

被动式动力吸振器稳健性优化设计

作者：曾鹏湖南大学

学位级别：硕士

确定性定点理论设计的被动式动力吸振器在最优状态下能够有效降低主振动系统的振幅。然而,在实际工程中存在的制造精度、测量误差和外部环境变化等因素会对动力吸振器的减振性能产生影响。目前,考虑不确定参数的动力吸振器优化设计相关... 详细信息

确定性定点理论设计的被动式动力吸振器在最优状态下能够有效降低主振动系统的振幅。然而,在实际工程中存在的制造精度、测量误差和外部环境变化等因素会对动力吸振器的减振性能产生影响。目前,考虑不确定参数的动力吸振器优化设计相关研究较少,而已有的研究仅考虑了动力吸振系统部分不确定参数,缺乏全面的分析,但在实际情况中,各不确定参数都会影响动力吸振器的减振性能。因此,研究被动式动力吸振器的稳健性优化设计具有重要意义。本文的主要研究内容如下:(1)考虑主振动系统参数不确定、动力吸振器参数不确定以及主振动系统和动力吸振器同时存在不确定参数三种情况,采用蒙特卡洛随机采样方法分析了不确定参数对单重动力吸振器和多重动力吸振器减振性能的影响,并且对相关不确定参数进行了灵敏度分析。(2)鲁棒等峰法只适用于主振动系统的刚度参数和阻尼参数存在不确定的情况,为进一步拓展该方法的适用范围,本文采用场景理论和粒子群智能优化算法,考虑主振动系统参数不确定、单重动力吸振器参数不确定以及主振动系统参数和单重动力吸振器参数同时存在不确定三种情况进行单重动力吸振器的稳健性优化设计,并将基于场景理论的单重动力吸振器稳健性优化设计结果与传统方法和鲁棒等峰法对比,证明了本文所提出的基于场景理论单重动力吸振器稳健性优化设计方法的可行性与正确性。(3)多重动力吸振器的优化变量和不确定参数的数量相较于单重动力吸振器有所增加,而场景理论为了保证优化结果的可靠性,其约束采样数量随之增长,从而导致计算负担增加。为了避免这种情况,本文提出了基于最差情况的动力吸振器稳健性优化设计方法。通过与基于场景理论的稳健性设计方法进行对比,证明了基于最差情况的动力吸振器稳健性优化方法的正确性。在此基础上,考虑主振动系统参数不确定以及主振动系统和二重动力吸振器同时存在不确定参数两种情况对二重动力吸振器进行稳健性优化设计,并将优化结果与传统方法对比,表明所提出方法的有效性。

关键词：动力吸振器灵敏度分析场景理论稳健性优化

基于威布尔分布的轿车车身疲劳寿命稳健性优化设计

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基于威布尔分布的轿车车身疲劳寿命稳健性优化设计

作者：黄珂磊吉林大学

学位级别：硕士

车身总成作为汽车三大关键总成之一,其疲劳寿命性能的优劣直接决定着汽车的使用寿命和安全性。因为结构疲劳寿命分布较为分散,所以普遍使用概率统计方法来描述疲劳寿命分散性。其中,威布尔分布因其形状参数取值不同,分布曲线可以呈不同... 详细信息

车身总成作为汽车三大关键总成之一,其疲劳寿命性能的优劣直接决定着汽车的使用寿命和安全性。因为结构疲劳寿命分布较为分散,所以普遍使用概率统计方法来描述疲劳寿命分散性。其中,威布尔分布因其形状参数取值不同,分布曲线可以呈不同的形态,成为现在使用较多的疲劳寿命分布统计模型。另外,汽车设计误差、材料性能偏差和人为操作误差等因素均会对车身疲劳寿命的稳健性产生影响。本文基于威布尔分布,提出了一种轿车车身疲劳寿命稳健性优化设计模型。首先,给出了等效威布尔分布法,建立了整车动力学仿真模型和虚拟试验场,通过车辆运动学仿真得到载荷谱。然后,基于轿车车身惯性释放分析原理,结合S-N曲线、载荷谱和Miner线性累计损伤法则得到了车身的疲劳寿命。最后,利用遗传算法对车身疲劳寿命进行稳健性优化。本文的主要研究内容如下:(1)给出了等效威布尔分布法,基于均值、方差和三阶矩相等的原则得到威布尔分布的形状参数、位置参数和尺度参数,进而给出与原分布函数等效的威布尔分布。数值算例验证,相比于正态分布,威布尔分布在拟合其它分布时更加精确。(2)基于运动学理论,建立了轿车前后悬架、转向系统和轮胎系统等子系统,进而建立整车多刚体运动仿真模型。然后根据随机路面不平度理论生成B、C、D、E级路面,从而建立虚拟仿真试验场,将整车模型在虚拟试验场中进行运动仿真,得到了车身疲劳寿命分析所必需的载荷谱。(3)建立了车身的有限元模型,对其进行惯性释放分析,得到了车身静态分析结果。基于名义应力法,结合载荷谱、S-N曲线和Miner累计损伤法则对车身进行疲劳寿命分析,并指出了疲劳失效发生的部位。(4)基于威布尔分布,提出了车身疲劳寿命稳健优化模型。通过灵敏度分析选择设计变量,以材料参数为随机变量,通过拉丁超立方抽样,构建车身疲劳寿命的Kriging代理模型,综合车身疲劳寿命方差最小和疲劳寿命分布集中于预期寿命附近两方面考虑,建立了车身疲劳寿命稳健优化模型。最后利用遗传算法,得到了车身零部件板厚优化结果,验证了优化后的车身寿命达到稳健优化目标。

关键词：威布尔分布轿车车身多体动力学疲劳寿命分析稳健性优化

基于近似模型的盘式制动器制动噪声稳健性优化

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基于近似模型的盘式制动器制动噪声稳健性优化

作者：邓洋重庆理工大学

学位级别：硕士

在人民不断憧憬美好生活的新时代背景下,人们逐渐重视汽车安全性与舒适性。制动系统作为汽车的关键系统之一,制动时伴生的噪声问题不但影响乘坐的舒适性,而且影响汽车行驶安全。为营造一个更安全舒适的驾乘环境,论文针对某后盘式制动器... 详细信息

在人民不断憧憬美好生活的新时代背景下,人们逐渐重视汽车安全性与舒适性。制动系统作为汽车的关键系统之一,制动时伴生的噪声问题不但影响乘坐的舒适性,而且影响汽车行驶安全。为营造一个更安全舒适的驾乘环境,论文针对某后盘式制动器的制动噪声问题,以及有限元模型仿真难以满足迭代优化等问题,在试验与仿真基础上,通过构建近似模型对制动噪声进行稳健性优化意义深远。论文主要工作如下:首先,从NVH台架试验与仿真分析两个方面对制动噪声进行了研究,并分析了可能影响制动噪声的因素。试验结果表明,制动拖滞工况时出现了制动噪声,噪声频率主要分布在2025Hz、4775Hz、5775Hz、7550Hz、8625Hz、9300Hz、9575Hz、11575Hz、12950Hz及13125Hz附近,且8625Hz附近的噪声声压级最大,达102.58d B（A）;通过建立盘式制动器总成有限元模型分析了拖滞工况的复特征值,发现不稳定模态频率与NVH台架试验所得结果一致性较好,最大误差仅3.08%,说明制动噪声仿真分析模型合理。同时分析发现随着摩擦系数的增大,模态发生耦合而导致制动噪声。其次,筛选了制动噪声的主要影响因素。通过正交筛选试验,采用极差分析法和方差分析法对制动拖滞工况时产生不稳定模态频率的各影响因素进行了显著性分析,发现摩擦系数、制动盘弹性模量、制动块摩擦片密度、制动钳体弹性模量等参数对制动噪声影响较大。接着,以显著影响制动噪声的参数为设计变量构建近似模型,以复相关系数为误差指标对不同类型的近似模型预测精度加以对比,确定了径向基（RBF）神经网络模型为用于制动噪声优化的模型。应用最优拉丁超立方设计挑选数据点作为训练集,依照近似原理分别创建响应面（RSM）模型、Kriging模型、RBF模型,并利用复相关系数评估模型精度,结果表明,RBF模型的预测精度最高,其复相关系数达0.932,满足近似模型的可信度要求,因此选择RBF模型对盘式制动器不稳定倾向系数（TOI）进行预测。最后,基于RBF模型对制动噪声进行了确定性优化和稳健性优化。以对制动噪声作用比较明显的摩擦系数、制动盘弹性模量、制动块摩擦片密度、制动钳体弹性模量为优化变量,以不稳定倾向系数TOI为优化目标,应用多岛遗传算法对制动噪声进行了确定性优化,优化后TOI减少至6.442,相比优化前降低了88.1%。考虑到实际工程中各参数的不确定性和在一定范围存在误差,采用蒙特卡罗方法分析了确定性优化结果的稳健性,发现优化值位于摩擦系数、制动块摩擦片密度的边界附近,其稳健性较差,需要进行稳健性优化。因此应用6 Sigma方法对制动噪声进行了稳健性优化,结果表明,摩擦系数的最大可波动范围为3 Sigma水平,而制动盘弹性模量、制动块摩擦片密度、制动钳体弹性模量的波动范围均可大于6 Sigma水平,说明其制造工艺性较好;测试稳健性优化时间,发现近似模型寻优大约需740小时（包括建立近似模型）,而应用有限元模型寻优需求解特征值百万次以上,几乎不可能实现优化要求,结果表明,基于近似模型的制动噪声稳健性优化可大大减少计算时间。稳健性优化结果验证表明,稳健性优化后的不稳定模态负阻尼比均低于0.6%,满足企业要求。论文采用近似模型方法对实际复杂工程问题进行稳健性优化,既简化了用于优化的模型,减少了优化时间,又保证了优化结果的稳健性与工艺性,具有一定工程指导价值。

关键词：盘式制动器制动噪声近似模型稳健性优化

随机载荷下压接型IGBT性能稳健性优化设计

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中国电机工程学报 2020年第23期40卷 7721-7729页

作者：黄志亮阳同光黎灿兵智慧城市能源感知与边缘计算湖南省重点实验室(湖南城市学院) 湖南省益阳市413000 电子信息与电气工程学院(上海交通大学) 上海市闵行区200240

内部应力分布是影响压接型IGBT性能的关键因素。不确定性工况导致的随机载荷进一步加剧应力失衡的影响。文中以IGBT中芯片最大应力和典型应力为性能函数,将芯片热载荷考虑为随机过程并度量其导致的质量损失,构建基于时变稳健性度量的优... 详细信息

内部应力分布是影响压接型IGBT性能的关键因素。不确定性工况导致的随机载荷进一步加剧应力失衡的影响。文中以IGBT中芯片最大应力和典型应力为性能函数,将芯片热载荷考虑为随机过程并度量其导致的质量损失,构建基于时变稳健性度量的优化模型。针对稳健性设计中嵌套优化的效率问题,提出一种解耦策略,将嵌套寻优转换成设计优化与稳健性分析的序列迭代过程。将文中方法应用于某压接型IGBT设计问题中,对比分析优化前、后应力失衡性能的质量损失。结果表明,在保证内部元件热接触稳健情况下,应力失衡性能的质量损失减少了17.3%。并且,该方法的效率远高于常规嵌套优化方法,具有良好的工程应用前景。

关键词：随机载荷压接式IGBT 稳健性优化应力失衡

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