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文檔簡介
計算機輔助工程——CAE匯報人:高菲李先飛劉華羽指導(dǎo)老師:高琦教授
CAE定義CAE在綜合階段的應(yīng)用CAE在分析階段的應(yīng)用CAE在評價階段的應(yīng)用成組技術(shù)和生產(chǎn)工程策略設(shè)計與生產(chǎn)工程網(wǎng)絡(luò)123456目錄1.CAE定義CAE(Computer-AidedEngineering)是利用計算機技術(shù)對工程設(shè)計進(jìn)行分析和評價,計算出產(chǎn)品的工作參數(shù)、性能參數(shù)和制造參數(shù),這些復(fù)雜參數(shù)使用傳統(tǒng)的人工方法將難以完成。CAE在設(shè)計過程中應(yīng)用于綜合、分析和評價階段2.CAE在設(shè)計綜合階段的應(yīng)用在設(shè)計過程的綜合階段,CAE的主要工作是使用面向制造和裝配設(shè)計方法原理處理生產(chǎn)能力問題。即通過增加基本幾何細(xì)節(jié)來完善產(chǎn)品,通過運用面向制造和裝配的設(shè)計方法(DFMA)的準(zhǔn)則和約束來修改產(chǎn)品。2.1DFMA發(fā)展因素:可加工性工程面向裝配的設(shè)計方法(DFA)
面向制造的設(shè)計方法(DFM)DFADFMDFMA???2.1.1DFA——面向裝配的設(shè)計方法定義:指在產(chǎn)品設(shè)計階段設(shè)計產(chǎn)品使得產(chǎn)品具有良好的可裝配性,確保裝配工序簡單、裝配效率高、裝配質(zhì)量高、裝配不良率低和裝配成本低?;驹恚和ㄟ^取消和合并的方法來減少零件數(shù)量,從而獲得簡單化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。主要作用:制定裝配工藝規(guī)劃,考慮拆裝的可行性;
優(yōu)化裝配的路徑;
在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中通過裝配仿真考慮裝配干涉。2.1.2DFM——面向制造的設(shè)計方法定義:主要研究產(chǎn)品本身的物理設(shè)計與制造系統(tǒng)各部分之間的相互關(guān)系,并把它用于產(chǎn)品設(shè)計中以便將整個制造系統(tǒng)融合在一起進(jìn)行總體優(yōu)化。基本思想:在產(chǎn)品設(shè)計時要同時考慮制造的可能性、高效性和經(jīng)濟性,即產(chǎn)品的可制造性或工藝性。2.1.3DFMA——面向制造和裝配的設(shè)計方法定義:是一個設(shè)計過程,該過程從產(chǎn)品設(shè)計的一開始就考慮生產(chǎn)因素。基本理念:為了在制造階段,以最短的周期、最低的成本、最好的質(zhì)量達(dá)到最高可能的產(chǎn)量。涉及產(chǎn)品開發(fā)的制造、裝配、檢測、維護、報廢處理等各個階段。DFMDFMADFA
DFMA合理性:早期設(shè)計階段,產(chǎn)品的材料、工藝和裝配要求等關(guān)鍵設(shè)計一旦確定,產(chǎn)品的成本也就確定下來。
設(shè)計后期除成本因素外,質(zhì)量問題也是低劣設(shè)計的產(chǎn)物。而DFMA的最大成效在于產(chǎn)品零件數(shù)量的減少。獨立零件之間的結(jié)合面是產(chǎn)品失效和質(zhì)量低下的主要根源,可提高產(chǎn)品質(zhì)量,減少總成本。同時也減少了沖壓模、鑄模、沖壓機、裝配操作、庫存、物料運輸和各類技術(shù)文件數(shù)量,增加產(chǎn)品可靠性。
DFMA的人工方法:DFMA方法有人工和基于計算機兩種。從人工方法來看,在設(shè)計期間,DFMA逐一向設(shè)計人員詢問有關(guān)零件功能、材料限制和裝配時零件存取等問題。DFMA軟件計算裝配時間、產(chǎn)品成本和理論上的基準(zhǔn)最小零件數(shù)。目的是獲得最高的零件生產(chǎn)成本效率。發(fā)展首先從效果顯著的DFA開始。在產(chǎn)品設(shè)計方法改進(jìn)后,裝配變得更容易且更快速,成本也被減少。分析設(shè)計質(zhì)量的方法:(1)十條設(shè)計準(zhǔn)則(2)裝配方法評分表
DFMA的計算機方法:采用DFMA的CAE軟件通過成本計算,幫助設(shè)計人員分析備選方案。使用DFMA軟件時,設(shè)計人員輸入零件的設(shè)計參數(shù),軟件對備選設(shè)計方案進(jìn)行定量分析。DFMA設(shè)計的結(jié)果很可能出現(xiàn)更為復(fù)雜的單個部件,但最終能設(shè)計出較為簡單的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),使得產(chǎn)品成本較為低廉。DFMA優(yōu)點:(1)減少50%之多的設(shè)計周期(2)減少30%~70%的零件數(shù)量(3)減少50%~80%的裝配時間3.CAE在設(shè)計分析階段的應(yīng)用
測試產(chǎn)品需要多種CAE軟件,且所選軟件應(yīng)滿足預(yù)期的測試類型。大多數(shù)情況下,CAE的輸入數(shù)據(jù)是CAD中建立的產(chǎn)品圖形。
CAD中產(chǎn)生的幾何造型被用作CAE軟件的分析數(shù)據(jù)。CAE應(yīng)用:有限元分析(FEA)質(zhì)量特性分析3.1FEA——有限元分析定義:FEA是一種數(shù)字編程技術(shù),它通過把研究對象劃分為許多稱之為“有限元”的構(gòu)造單元,來分析和研究某個結(jié)構(gòu)或電路的功能特性。軟件分類:機械系統(tǒng)和電子電路。分析步驟:可分成前置處理、計算求解和后置處理三個階段。前置處理是建立有限元模型,完成單元網(wǎng)格劃分;后置處理則是采集處理分析結(jié)果,使用戶能簡便提取信息,了解計算結(jié)果。離散化位移插值局部坐標(biāo)系中有限元方程的形成坐標(biāo)變換整體有限元方程的組裝施加位移約束求解FEA軟件應(yīng)用:
靜態(tài)分析
瞬時動態(tài)分析
固有頻率分析
熱傳導(dǎo)分析
運動分析
流動性分析
機械運動分析FEA成功的關(guān)鍵在于選擇網(wǎng)格,網(wǎng)格單元在結(jié)點處連接。網(wǎng)格單元的大小和位置對獲得有效的結(jié)果至關(guān)重要。通常幾何實體上某處要求分析的效果越明顯,網(wǎng)格單元越小。3.2質(zhì)量特性分析對分析產(chǎn)品零件的重要性:質(zhì)量特性分析是設(shè)計中常用到的CAE功能。質(zhì)量特性分析命令通知CAD系統(tǒng)并返回數(shù)值,從而可生成分析質(zhì)量、邊界框、質(zhì)心、慣性矩、慣性積等幾何參數(shù)。對制造企業(yè)的重要性:與CAD系統(tǒng)共同確定零件的標(biāo)準(zhǔn);
CAD數(shù)據(jù)文件的傳送與共享。與DFMA結(jié)合:從質(zhì)量分析軟件獲得數(shù)據(jù);
從質(zhì)量特性分析軟件獲得精準(zhǔn)參數(shù)值。3.3其他CAE設(shè)計和分析軟件回路分析軟件:完成電子電路的數(shù)字分析以確定電子的性能和極端工作條件,可分析任何類型的電路。裝配干涉和公差配合軟件:用于機械零部件的設(shè)計與分析。典型代表是Valisys軟件包,展示了如何生成和采集相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù),同時強調(diào)了產(chǎn)品設(shè)計、制造和質(zhì)量間的嚴(yán)格關(guān)系。Valisys工作模塊設(shè)計驗證公差分析質(zhì)量工程檢驗過程控制按照尺寸與公差標(biāo)準(zhǔn)檢查相關(guān)信息,使用現(xiàn)有的零件幾何體建立一個“軟量規(guī)”,即硬量規(guī)的線框模型,投資較少有更高質(zhì)量的檢測效果??稍谧畲蠊顥l件下分析裝配件之間的配合,設(shè)計時考慮零件的配合。幾何造型優(yōu)化設(shè)計、圖紙文本空間及緊固件都由軟件自動完成。質(zhì)量工程功能可完成對已加工零件的檢驗??墒褂貌杉降臄?shù)據(jù)建立一個“在建”零件的聯(lián)機圖形模型,比較模型與軟量規(guī),可知零件是否已通過檢驗??梢钥刂茰y量儀器,并確定零件是否是被接納或被拒絕。根據(jù)在質(zhì)量檢測階段獲取的數(shù)據(jù),產(chǎn)生改進(jìn)工藝的建議。采集質(zhì)量數(shù)據(jù)并且生成統(tǒng)計過程控制(SPC)必須的控制圖。采集的數(shù)據(jù)用來確定制造過程的精確性和反復(fù)性,確定在建零件與設(shè)計特征的接近程度,也用來預(yù)測加工過程的趨向。4.CAE在設(shè)計評價階段的應(yīng)用
設(shè)計評價過程需要對分析過程中得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行審查,從而確定實際設(shè)計目標(biāo)和參數(shù)之間的一致程度。但由于設(shè)計的反復(fù)性,難以劃分CAE功能與分析和評價功能之間的界限,在設(shè)計階段,CAE功能是“原型”。
“原型”是一個設(shè)計的功能模型,在產(chǎn)品正式投入生產(chǎn)之前,用來評價產(chǎn)品的工作性能。
原型的形式由期望測試的內(nèi)容而定。建造普通原型的就是常規(guī)的生產(chǎn)設(shè)備,多為有色金屬或者塑料。然而,面對復(fù)雜的注塑模零件,制造原型的工藝難度也會加大。原型設(shè)計仍然是一個關(guān)鍵的評價過程,要縮短市場前置時間就要求更加快速的原型技術(shù)。4.1原型概念:虛擬原型是一個由零件構(gòu)造機器部件或產(chǎn)品的過程,零件由不同的設(shè)計師設(shè)計完成。缺陷:虛擬模型的效果不明顯,因為對應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)集成相當(dāng)困難,它必須由對CAD軟件和模型軟件二者都熟悉的編程人員實現(xiàn)。模型軟件:1)CATIA、SolidWorks、SolidEdge、Pro/E等都能導(dǎo)入部件的簡化面模型,但是僅僅是顯示不能修改,甚至沒有內(nèi)部細(xì)節(jié)。
2)
IXdesign系統(tǒng)和Alibre系統(tǒng)提供的模型軟件更趨于理想,由中心服務(wù)器控制大型的機器模型,在設(shè)計子部件時可看到機器的其他細(xì)節(jié)
3)
Accupak軟件可提供虛擬原型的線性和非線性應(yīng)力分析功能。通過計算機模擬機械運動,該軟件也可采用虛擬測試代替物理測試。。4.2虛擬原型4.3快速原型
快速原型將零件的3D(即實體)CAD模型在系統(tǒng)內(nèi)“切成”一個個很薄的水平面,然后逐層將他們轉(zhuǎn)化為物理模型,即原型??焖僭妥鳛橐环N為新設(shè)計快速建造模型的技術(shù),核心是增材制造,綠色制造??焖僭拖到y(tǒng)運行于精簡指令集(RISC)工作站,以CAD3D全封閉表面模型(實體模型文件)為基礎(chǔ),CAD將幾何體轉(zhuǎn)化為與快速原型系統(tǒng)兼容的文件格式,大多數(shù)快速原型系統(tǒng)使用STL格式。
主要是為了分析評價,相對于“原型”,周期短,速度快。4.3.1激光后固化成型(SLA)
激光后固化造型:使用一箱感光性液態(tài)聚合物,在聚合物箱內(nèi)放置一個垂直升降控制臺和一個在聚合物液體表面聚焦的伺服激光裝置。
原理:
造型系統(tǒng)的計算機讀取原型零件的STLCAD文件,然后將零件自上而下切成一些橫截面,計算機系統(tǒng)將這些橫截面數(shù)據(jù)以SLI文件,建立控制激光和升降臺的文件。激光掃描最下面穿過橫截面的區(qū)域,使這部分固化,然后升降臺下降一個截面厚度,層與層涂上一層液體樹脂,激光將下一截面固化,如此反復(fù),直至整個零件形成。適用范圍:適用于要求精度不高、重視細(xì)節(jié)而又不需要嚴(yán)格物理測試的原型
4.3.2選擇性激光燒結(jié)(SLS)選擇性激光燒結(jié):使用以上高能二氧化碳激光將粉末融化(即燒結(jié))成固體零件。原理:與激光固化造型技術(shù)原理相似,SLS激光束跟蹤每一個橫截面的形狀,融化粉末薄層。然后機械滾子在已完成層再撒一層粉末,激光再跟蹤下一層橫截面,如此反復(fù),直至形成完整零部件。適用范圍:適合生成那些要求有優(yōu)越性的材料性能,或必須暴露在露天、化學(xué)物或高溫等環(huán)境的零件。4.3.3三維打印(3DP)三維打?。耗壳白盍餍械母拍罱O到y(tǒng),它誕生于麻省理工學(xué)院MIT該工藝將粉狀材料一次撒一薄層。粉狀材料可以是任何材料,包括陶瓷、金屬、聚合物和合成物。然把粘性豁結(jié)劑添加到零件的橫截面區(qū)域或零件的模子上。原理:3DP是一層一層地生成整個零件,其過程與SLS相似。每一層首先在粉床表面撒上一薄層粉末,然后黏結(jié)劑有選擇地添加上去,形成零件。支撐粉床的活塞一步步地降低,所以下一層粉能夠撒上去。這樣的一層一層的過程一直重復(fù)到零件完成后結(jié)束。零件形成后,還要用蠟、氰基丙烯酸鹽黏結(jié)劑或雙環(huán)氧醋來滲透以增加強度。3DP優(yōu)點:
幾何形狀適應(yīng)性強,無需為懸掛部分、側(cè)面凹槽和內(nèi)部空腔設(shè)置支撐,
任何顏色的材料,只要能制成粉狀,都能使用。
3DP的速度很快。3DP缺點:它不能獲得激光后固化造型技術(shù)的表面質(zhì)量和精度。4.3.4熔融沉積造型(FDM)
熔融沉積造型:一種將各種熱熔性的絲狀材料(蠟、ABS和尼龍等)加熱熔化成形的方法。
原理:熔融沉積造型原理和前面類似,先進(jìn)行SLT文件類型轉(zhuǎn)化,然后塑料或者臘等基材被從噴頭中擠出,噴頭會把基材加熱至熔解溫度,從而確保從噴頭流出后基材立刻凝固。當(dāng)噴頭沿著希望的軌跡移動時,被擠出的基材便形成了截面。一個截面完成后,打印底座降低,噴頭進(jìn)行下一層的噴涂。FDM的優(yōu)點:(1)快速,材料相對便宜;(2)系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境,沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險,工藝干凈、簡單、易于操作且不產(chǎn)生垃圾。FDM的缺點:
(1)精度低,某些模型表面呈顆粒狀,表面質(zhì)量優(yōu)于激光燒結(jié)而遜于激光后固化造型;(2)沿成型軸垂直方向的強度比較弱;(3)需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)。4.3.5層積物制造(LOM)層積物制造:由美國Helisys于1986年研制成功,采用薄片材料。原理:LOM工藝采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。1)片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。2)加工時,熱壓輥熱壓片材,使之與下面已成型的工件粘接。3)用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框,并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格。4)激光切割完成后,工作臺帶動已成型的工件下降,與帶狀片材分離。5)供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸,帶動料帶移動,使新層移到加工區(qū)域。6)工作合上升到加工平面,熱壓輥熱壓,工件的層數(shù)增加一層,高度增加一個料厚。7)再在新層上切割截面輪廓。8)如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完。9)去除切碎的多余部分,得到分層制造的實體零件。LOM優(yōu)點:
(1)成型效率高,LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個截面,因此成型厚壁零件的速度較快,易于制造大型零件;(2)無翹曲變形,工藝過程中不存在材料相變,因此沒有熱應(yīng)力、膨脹和收縮不易引起翹曲變形;(3)無需加支撐,工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用,所以LOM工藝無需加支撐。LOM缺點:材料浪費嚴(yán)重,表面質(zhì)量差。4.3.6多孔噴射造型(MJM)
多孔噴射造型(MJM)是被稱為概念造型的3DP快速原型技術(shù)的一種。概念造型方法用來制造強度相對較低的零件,可以快速地、低成本地對產(chǎn)品的早期設(shè)計進(jìn)行評估。在概念造型方法中,3DP對大型零件較好,MJM加則對小型的、突出細(xì)部結(jié)構(gòu)的零件更好。
MJM的真正優(yōu)勢在于它的零件細(xì)節(jié)和表面質(zhì)量較好。原理:將融化的蠟狀材料噴灑到平臺上,噴灑工具是打印頭,打印頭噴出墨滴徑向尺寸極小,當(dāng)墨滴落在零件表面時,它速度冷卻、變硬。一層完成后,生成平臺將下降一個薄層厚度,然后再噴灑新的一層,零件完成后,支撐被清除掉。4.4快速原型的現(xiàn)在和未來在最近的五年內(nèi),快速原型已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。較大的制造廠商對快速原型部門的投資驅(qū)動帶動了系統(tǒng)的銷售,較小的生產(chǎn)廠商通過購買服務(wù)商的機器使用時間來滿足他們對快速原型系統(tǒng)的需求??焖僭驮谖磥碜兓内厔葸€是清楚的。在設(shè)備方面,將會在精度和工藝速度上有所改進(jìn),從材料著眼,當(dāng)前材料的改進(jìn)和新材料的引進(jìn)都將提高原型的穩(wěn)定性、強度和耐用性。這些變化將使快速原型技術(shù)向前邁進(jìn)到定制加工的時代,制造業(yè)仍是主要用戶,醫(yī)學(xué)應(yīng)用也開始啟動。5.成組技術(shù)市場競爭日益激烈,產(chǎn)品跟新?lián)Q代快,產(chǎn)品品種增多,但每種產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)量卻不多,企業(yè)在生產(chǎn)一些產(chǎn)品時采用單件小批量生產(chǎn),但是這種模式往往存在生產(chǎn)率低、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本高、競爭力差的問題。
成組技術(shù)是一種揭示和利用事物間的相似性,按照一定的準(zhǔn)則分類成組,同組事物能夠采用同一方法進(jìn)行處理,將產(chǎn)品以中小批模式生產(chǎn),以便提高效益的技術(shù)。
成組技術(shù)的定義:
GT是一種制造方法,它利用零部件設(shè)計上的和(或)制造工藝上的相似性,將他們組成小批或中批生產(chǎn)。
原理:應(yīng)用成組技術(shù)時,使用專用制造單元,符合編碼條件的零件編成一個零件組,并且在同一套專用于該組零件的機器上生產(chǎn)。
優(yōu)點:
縮短提前期和準(zhǔn)備時間
減少在制品和成品庫存
減少材料處理時間
簡化生產(chǎn)計劃和控制
有助于成功應(yīng)用其他生產(chǎn)工程軟件
5.1零件的分類與編碼在運用成組時需要對零件進(jìn)行編碼、分類。1)編碼編碼是一項系統(tǒng)性的工作,它以零件的主要特征為基礎(chǔ),為零件建立一套由文字和數(shù)字編程的唯一識別碼。2)分類分類是根據(jù)零件的編碼系統(tǒng)進(jìn)行編碼后按照零件的編碼值,將零件進(jìn)行分組,采用不同的相似性標(biāo)準(zhǔn),將零件劃分為不同的零件組,創(chuàng)建分類碼。常用的編碼結(jié)構(gòu)主要有:分級編碼結(jié)構(gòu)、鏈?zhǔn)骄幋a結(jié)構(gòu)和混合編碼結(jié)構(gòu)。1)分級編碼結(jié)構(gòu)分級式編碼結(jié)構(gòu)也稱單一編碼結(jié)構(gòu)或樹結(jié)構(gòu),在分級編碼結(jié)構(gòu)中,碼位之間是隸屬關(guān)系,即除第一碼位內(nèi)的特征碼外,其他各碼位的確切含義都要根據(jù)前一碼位來確定。分級編碼的優(yōu)點是用少量的編碼可以表達(dá)很多的信息。唯一的缺點是復(fù)雜性隨分支的增加而增加。2)鏈?zhǔn)骄幋a結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)骄幋a,也稱多重編碼,是由編碼表或矩陣建立起來的,在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中,每個碼位內(nèi)的各特征碼具有獨立的含義,與前后無關(guān)。多重編碼的主要優(yōu)點是緊湊、易用和易擴展。主要缺點是多重編碼缺乏層次結(jié)構(gòu)表現(xiàn)細(xì)節(jié)。3)混合編碼結(jié)構(gòu)混合編碼結(jié)構(gòu)結(jié)合了分級編碼和單一編碼的優(yōu)點。典型的混合編碼例子是Optiz分類編碼系統(tǒng)。5.2GT生產(chǎn)單元傳統(tǒng)上,批量生產(chǎn)的場地是按功能布置的,即同類產(chǎn)品設(shè)備被集中在一起,零件按照加工要求在各機器間傳送,這種方法有一些缺陷:在制品庫存量高、零件運量大、提前期較長和準(zhǔn)備時間較長等。成組技術(shù)的零件組應(yīng)用于批量生產(chǎn),需要將生產(chǎn)設(shè)備重新布置,可采用如下方法:1)按照零件族的生產(chǎn)能力來劃分機器設(shè)備不同的“組”。2)生產(chǎn)流分析法。根據(jù)生產(chǎn)操作順序和零件的加工工藝進(jìn)行分組,具有相同或相似工藝的零件被劃分為同一個零件族。5.3生產(chǎn)與過程的建模和仿真生產(chǎn)和過程的建模
由于系統(tǒng)和環(huán)境的復(fù)雜性,無論從經(jīng)濟性還是有效性來考慮,都很難甚至不可能以實際系統(tǒng)進(jìn)行試驗。而模型作為現(xiàn)實系統(tǒng)的簡化、抽象或模擬,是系統(tǒng)涉及的大量因素中的主要因素的映像,它能反映這些主要因素之間的邏輯關(guān)系。設(shè)計時,分析模塊依靠數(shù)學(xué)方程能精確模擬出在研零件、產(chǎn)品和加工系統(tǒng)的性能。生產(chǎn)系統(tǒng)過程建??梢詭椭斫?、分析和優(yōu)化生產(chǎn)過程,為系統(tǒng)描述、評價和決策提供支持,是生產(chǎn)系統(tǒng)過程重構(gòu)的重要基礎(chǔ)。5.3生產(chǎn)與過程的建模和仿真生產(chǎn)和過程的仿真計算機仿真是建立一套理論的或?qū)嶋H的生產(chǎn)系統(tǒng)和過程系統(tǒng)模型,以評價系統(tǒng)在各種條件和環(huán)境下的性能。生產(chǎn)和過程的仿真的方法通過給出實際生產(chǎn)系統(tǒng)或假設(shè)的生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)的三維模型,在計算機中再現(xiàn)實際生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備、工人和分析生產(chǎn)物流與邏輯順序的其它相關(guān)因素生產(chǎn)和過程的仿真的目標(biāo)主要目標(biāo)是評價系統(tǒng)的可生產(chǎn)性,減少系統(tǒng)運行成本和維護費用。加工仿真的優(yōu)點:(1)優(yōu)化加工方案,驗證生產(chǎn)物流。(2)對制造中的選擇方案(新產(chǎn)品)以及更
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