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1、第十三章 彎曲應(yīng)力,回顧與比較,內(nèi)力,應(yīng)力分布規(guī)律及公式,均勻分布,線形分布,13-3 彎曲梁的強(qiáng)度計(jì)算,13-2 彎曲切應(yīng)力,13-4 提高梁的彎曲強(qiáng)度的措施,13-1 純彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力,本章主要內(nèi)容,梁段CD上,只有彎矩,沒有剪力,梁段AC和BD上,既有彎矩,又有剪力,13-1 純彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力,純彎曲,橫力彎曲,一、彎曲分類,純彎曲實(shí)例,純彎曲,橫截面上只有正應(yīng)力,沒有切應(yīng)力。,橫力彎曲,橫截面上即有正應(yīng)力,也有切應(yīng)力。,二、純彎曲正應(yīng)力,1、變形幾何關(guān)系,2、物理關(guān)系,3、靜力學(xué)關(guān)系,純彎曲的內(nèi)力,剪力Fs=0,橫截面上沒有切應(yīng)力,只有正應(yīng)力。,彎曲正應(yīng)力的 分布規(guī)律和
2、計(jì)算公式,(一)變形幾何關(guān)系,1、實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象:,施加一對(duì)正彎矩,觀察變形,觀察到縱向線與橫向線有何變化?,縱向線,由直線,曲線,橫向線,由直線,直線,相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后,,仍然與縱向弧線垂直。,變化的是:,1、縱向線的長(zhǎng)度,2、兩橫截面的夾角,各縱向線的長(zhǎng)度還相等嗎?,各橫向線之間依然平行嗎?,橫截面繞某一軸線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。,2、提出假設(shè):,1)平面假設(shè):,變形前為平面的橫截面變形后仍保持為平面;,于1695年提出梁彎曲的平面假設(shè),瑞士科學(xué)家Jacob.貝努力,縱向纖維之間沒有相互擠壓,,2)假設(shè):,觀察縱向纖維之間有無(wú)相互作用力,各縱向纖維只是發(fā)生了簡(jiǎn)單的軸向拉伸或壓縮。,凹入一側(cè)纖維,凸出
3、一側(cè)纖維,觀察縱向纖維的變化,在正彎矩的作用下,,偏上的纖維,縮短,,偏下的纖維,伸長(zhǎng)。,縮短;,伸長(zhǎng)。,纖維長(zhǎng)度不變,中性層,中性層,L0,L0,L=0,既不伸長(zhǎng)也不縮短,中性軸,中性軸上各點(diǎn),=0,各橫截面繞,中性軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。,中性軸的位置,過截面形心,中性軸的特點(diǎn):,平面彎曲時(shí)梁橫截面上的中性軸,它與外力作用面垂直;,中性軸是與外力作用面相垂直的形心主軸。,一定是形心主軸;,關(guān)于中性層的歷史,1620年,荷蘭物理學(xué)家、力學(xué)家比克門首先發(fā)現(xiàn)中性層;,英國(guó)科學(xué)家胡克于1678年也闡述了同樣現(xiàn)象,,但沒有涉及中性軸的位置問題;,法國(guó)科學(xué)家納維于1826年,出版材料力學(xué)講義,,給出結(jié)論:,中性軸
4、,過截面形心。,3、理論分析:,y的物理意義,縱向纖維到中性層的距離;,點(diǎn)到中性軸的距離。,兩直線間的距離,公式推導(dǎo),線應(yīng)變的變化規(guī)律,與纖維到中性層的距離成正比。,從橫截面上看:,點(diǎn)離開中性軸越遠(yuǎn),,該點(diǎn)的線應(yīng)變?cè)酱蟆?(二)物理關(guān)系,胡克定律,彎曲正應(yīng)力的分布規(guī)律,a、與點(diǎn)到中性軸的距離成正比;,c、正彎矩作用下,,上壓下拉;,當(dāng)P時(shí),沿截面高度,線性分布;,b、沿截面寬度,均勻分布;,d、危險(xiǎn)點(diǎn)的位置,,離開中性軸最遠(yuǎn)處.,彎曲正應(yīng)力的分布規(guī)律,可 別 忘 記 啦,沿高度,沿寬度,(三)靜力學(xué)關(guān)系,中性軸過截面形心,坐標(biāo)軸是主軸,中性層的曲率計(jì)算公式,EIz,抗彎剛度,(四)彎曲正應(yīng)力計(jì)
5、算公式,變形幾何關(guān)系,物理關(guān)系,靜力學(xué)關(guān)系,正應(yīng)力公式,1826年納維在材料力學(xué)講義中給出正確計(jì)算公式,彎曲正應(yīng)力分布規(guī)律,彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式,(五)橫截面上最大彎曲正應(yīng)力,截面的抗彎截面系數(shù),反映了截面的幾何形狀、尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響,最大彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式,常見圖形的慣性矩及抗彎截面系數(shù):,三、橫力彎曲,橫截面上內(nèi)力,剪力+彎矩,橫截面上的應(yīng)力,既有正應(yīng)力,,又有切應(yīng)力,橫力彎曲時(shí)的橫截面,橫截面,不再保持為平面,且由于切應(yīng)力的存在,,也不能保證縱向纖維之間沒有正應(yīng)力,純彎曲正應(yīng)力公式,彈性力學(xué)精確分析表明:,橫力彎曲最大正應(yīng)力,橫力彎曲正應(yīng)力,對(duì)于跨度 L 與橫截面高度 h 之比 L / h
6、 5的細(xì)長(zhǎng)梁,,用純彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算橫力彎曲正應(yīng)力,,誤差2%,滿足工程中所需要的精度。,彎曲正應(yīng)力公式適用范圍,彎曲正應(yīng)力公式,1、純彎曲或細(xì)長(zhǎng)梁的橫力彎曲;,2、橫截面有縱向?qū)ΨQ軸;,3、彈性變形階段;,推導(dǎo)彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式的方法總結(jié),(1)理想模型法:純彎曲(剪力為零,彎矩為常數(shù)),(2)“實(shí)驗(yàn)觀察假設(shè)” :梁彎曲假設(shè),(3),外力,內(nèi)力,變形幾何關(guān)系 物理關(guān)系 靜力學(xué)關(guān)系,(4)三關(guān)系法,積分,應(yīng)力合成內(nèi)力,橫力彎曲,應(yīng)力法,(5)數(shù)學(xué)方法,注意,(1)計(jì)算正應(yīng)力時(shí),必須清楚所求的是哪個(gè)截面上的應(yīng)力,,(3)特別注意正應(yīng)力沿高度呈線性分布;,從而確定該截面上的彎矩及該截面對(duì)中性軸的
7、慣性矩;,(2)必須清楚所求的是該截面上哪一點(diǎn)的正應(yīng)力,,(4)中性軸上正應(yīng)力為零,,并確定該點(diǎn)到中性軸的距離,,而在梁的上下邊緣處分別是最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。,以及該點(diǎn)處應(yīng)力的符號(hào),(4)必須熟記矩形截面、圓形截面對(duì)中性軸的慣性矩 的計(jì)算式。,(6)熟記矩形、圓形截面對(duì)中性軸的慣性矩的計(jì)算式。,(5)梁在中性軸的兩側(cè)分別受拉或受壓;,注意,正應(yīng)力的正 負(fù)號(hào)(拉或壓)可根據(jù)彎矩的正負(fù),及梁的變形狀態(tài)來(lái) 確定。,1、C 截面上K點(diǎn)正應(yīng)力,2、C 截面上最大正應(yīng)力,3、全梁上最大正應(yīng)力,4、已知E=200GPa,C 截面的曲率半徑,例:矩形截面簡(jiǎn)支梁承受均布載荷作用,如圖所示,1、截面幾何性質(zhì)計(jì)
8、算,確定形心主軸的位置,確定中性軸的位置,確定形心的位置,2. 求支反力,(壓應(yīng)力),3、C 截面上K點(diǎn)正應(yīng)力,4、C 截面上最大正應(yīng)力,彎矩,公式,作內(nèi)力圖,5、全梁上最大正應(yīng)力,危險(xiǎn)截面,公式,6、已知E=200GPa,C 截面的曲率半徑,作彎矩圖,尋找最大彎矩的截面,分析:,非對(duì)稱截面,,例 T型截面鑄鐵梁,截面尺寸如圖。,求最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力。,計(jì)算最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力,要尋找中性軸位置;,(2)計(jì)算應(yīng)力:,(1)求支反力,作彎矩圖,B截面應(yīng)力分布,9KN,1m,1m,4KN,1m,A,C,B,FA=2.5KN,應(yīng)用公式,(3)結(jié)論,C截面應(yīng)力計(jì)算,C截面應(yīng)力分布,應(yīng)用公式,13
9、-2 彎曲切應(yīng)力,橫力彎曲,橫截面上內(nèi)力,既有彎矩又有剪力;,橫截面上應(yīng)力,既有正應(yīng)力又有切應(yīng)力。,切應(yīng)力分布規(guī)律和計(jì)算公式,FA=FB=P,觀察AC段內(nèi)力,Fs=P,=+常量,+M線性規(guī)律上升,橫截面上的切應(yīng)力合成剪力,橫截面上的剪力產(chǎn)生切應(yīng)力,一、矩形截面梁,關(guān)于切應(yīng)力的兩點(diǎn)假設(shè),目標(biāo):,距離中性軸為y的直線上各點(diǎn)切應(yīng)力計(jì)算公式,距中性軸等遠(yuǎn)的各點(diǎn)處切應(yīng)力大小相等。,1、在AC 段取長(zhǎng)為dx的微段,2、分析微段上的應(yīng)力,3、切開微段分析,4、分析微段的平衡條件,5、計(jì)算右側(cè)截面正應(yīng)力形成的合力,同理,Sz*,橫截面上距離中性軸為y的橫線以外部分的面積A1對(duì)中性軸的靜矩。,6、微元體的平衡方
10、程,距離中性軸為y的直線上點(diǎn)的切應(yīng)力計(jì)算公式,7、切應(yīng)力計(jì)算公式,各項(xiàng)的物理意義,1、Fs,欲求切應(yīng)力的點(diǎn)所在截面的剪力;,2、Iz,欲求切應(yīng)力的點(diǎn)所在截面對(duì)中性軸的慣性矩;,3、b,欲求切應(yīng)力的點(diǎn)處截面的寬度;,4、Sz*,橫截面上距離中性軸為y的橫線以外部分的面積A1對(duì)中性軸的靜矩。,8、切應(yīng)力分布規(guī)律,切應(yīng)力沿截面高度按拋物線規(guī)律變化。,中性軸處,最大正應(yīng)力所在的點(diǎn),二、工字形截面梁切應(yīng)力沿高度的分布規(guī)律,計(jì)算公式,切應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn),中性軸處,最大切應(yīng)力,腹板上的切應(yīng)力呈拋物線變化;,腹板部分的切應(yīng)力合力占總剪力的9597%。,工字形截面的翼緣,翼緣部分的水平切應(yīng)力沿翼緣寬度按直線規(guī)律變化;
11、,翼緣部分的切應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算時(shí)一般不予考慮。,并與腹板部分的豎向剪力形成“剪應(yīng)力流” 。,三、T形截面梁切應(yīng)力沿高度的分布規(guī)律,計(jì)算公式,切應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn),中性軸處,四、圓形截面梁切應(yīng)力沿高度的分布規(guī)律,計(jì)算公式,切應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn),中性軸處,最大切應(yīng)力,2、橫截面上同一高度各點(diǎn)的切應(yīng)力匯交于一點(diǎn),3、豎直分量沿截面寬度相等,沿高度呈拋物線規(guī)律變化,1、在截面邊緣上各點(diǎn)的切應(yīng)力的方向與圓周相切。,圓環(huán)截面的最大切應(yīng)力,切應(yīng)力的危險(xiǎn)點(diǎn),能否說(shuō):“切應(yīng)力的最大值一定發(fā)生在中性軸上”?,當(dāng)中性軸附近有尺寸突變時(shí),最大切應(yīng)力不發(fā)生在中性軸上;,當(dāng)中性軸附近有沒有尺寸突變時(shí),最大切應(yīng)力發(fā)生在中性軸上;,一、彎曲正應(yīng)
12、力強(qiáng)度條件,彎曲正應(yīng)力的分布規(guī)律,危險(xiǎn)點(diǎn):,距離中性軸最遠(yuǎn)處;,分別發(fā)生最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力;,13-3 彎曲梁的強(qiáng)度計(jì)算,1、塑性材料,抗拉壓強(qiáng)度相等,無(wú)論內(nèi)力圖如何,梁內(nèi)最大應(yīng)力,其強(qiáng)度條件為,將梁做成矩形、圓形、工字形等,對(duì)稱于中性軸的截面;,此類截面的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力相等。,因此:,強(qiáng)度條件可以表示為,2.離中性軸最遠(yuǎn)處。,要綜合考慮彎矩M與截面形狀I(lǐng)z,1.彎矩的絕對(duì)值最大的截面上;,塑性材料,c、塑性材料制成的,變截面梁,總之,,梁內(nèi)最大應(yīng)力發(fā)生在:,強(qiáng)度條件為,2、脆性材料,抗拉壓強(qiáng)度不等。,內(nèi)力圖形狀有關(guān)。,梁內(nèi)最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別發(fā)生在,最大應(yīng)力通常與截面形狀,
13、,通常將梁做成T形、倒T形等,關(guān)于中性軸不對(duì)稱的截面。,離中性軸最遠(yuǎn)的最上邊緣與最下邊緣。,由于脆性材料抗壓不抗拉,,或者, 脆性材料梁的危險(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn),上壓下拉,上拉下壓,危險(xiǎn)截面只有一個(gè)。,危險(xiǎn)截面處分別校核:,二個(gè)強(qiáng)度條件表達(dá)式,危險(xiǎn)截面有二個(gè);,每一個(gè)截面的最上、最下邊緣均是危險(xiǎn)點(diǎn);, 脆性材料梁的危險(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn),各危險(xiǎn)截面處分別校核:,四個(gè)強(qiáng)度條件表達(dá)式,彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算的三個(gè)方面,1、強(qiáng)度校核,2、設(shè)計(jì)截面,3、確定許可載荷,例1:圖示為機(jī)車輪軸的簡(jiǎn)圖。試校核輪軸的強(qiáng)度。,材料的許用應(yīng)力,分析,(3)危險(xiǎn)截面:,(4)危險(xiǎn)點(diǎn),截面關(guān)于中性軸對(duì)稱,彎矩 最大的截面,抗彎截面系數(shù)
14、 最小的截面;,危險(xiǎn)截面的最上、下邊緣處。,(2)輪軸為塑性材料,公式,(1)簡(jiǎn)化為力學(xué)模型,(1)計(jì)算簡(jiǎn)圖,(2)繪彎矩圖,B截面,C截面,(3)危險(xiǎn)截面,(4)強(qiáng)度校核,B截面:,C截面:,(5)結(jié)論,輪軸滿足強(qiáng)度條件,例:某車間欲安裝簡(jiǎn)易吊車,大梁選用工字鋼。已知電葫蘆,材料的許用應(yīng)力,起重量,跨度,試選擇工字鋼的型號(hào)。,自重,分析,(2)計(jì)算最大彎矩, 確定危險(xiǎn)截面,計(jì)算 ,選擇工字鋼型號(hào),(3)工字鋼截面為關(guān)于中性軸對(duì)稱,(1)簡(jiǎn)化為力學(xué)模型,計(jì)算公式,(1)計(jì)算簡(jiǎn)圖,(2)繪彎矩圖,(3)危險(xiǎn)截面,(4)強(qiáng)度計(jì)算,(5)選擇工字鋼型號(hào),36c工字鋼,F=F1+F2,例:T型截面鑄鐵
15、梁,截面尺寸如圖示。,試校核梁的強(qiáng)度。,2、作彎矩圖,確定危險(xiǎn)截面,3、確定危險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)行強(qiáng)度校核,分析:,非對(duì)稱截面,且已知形心和,1、脆性材料,,危險(xiǎn)截面與內(nèi)力圖、截面形狀有關(guān),公式,(2)確定危險(xiǎn)截面,(1)求支反力,作彎矩圖,B截面應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算,9KN,1m,1m,4KN,1m,A,C,B,FA=2.5KN,應(yīng)用公式,(3)強(qiáng)度計(jì)算,(3)結(jié)論,C截面強(qiáng)度計(jì)算,滿足強(qiáng)度條件,例: 一簡(jiǎn)支梁受力如圖所示。已知 ,空心圓截面 的內(nèi)外徑之比 ,試選擇截面直徑D;若外徑D增加 一倍,比值不變,則載荷 q 可增加到多大?,2、作彎矩圖,確定危險(xiǎn)截面;,分析:,對(duì)稱截面;,1、塑性材料,,4、公式,
16、3、確定危險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,1、求支座反力,FA=FB=ql/2,2、 作彎矩圖確定危險(xiǎn)截面,3、強(qiáng)度計(jì)算,若外徑D增加一倍,,不變,二、彎曲切應(yīng)力強(qiáng)度條件,對(duì)于等寬度截面, 發(fā)生在中性軸上;,在進(jìn)行梁的強(qiáng)度計(jì)算時(shí),需注意以下問題:,1、對(duì)于細(xì)長(zhǎng)梁的彎曲變形,正應(yīng)力的強(qiáng)度條件是主要的,剪應(yīng) 力的強(qiáng)度條件是次要的。,對(duì)于寬度變化的截面, 不一定發(fā)生在中性軸上。,一般情況下,,以正應(yīng)力設(shè)計(jì)為主,,切應(yīng)力校核為輔;,(1) 對(duì)于較粗短的梁,當(dāng)集中力較大時(shí),,2、以下情況需要校核切應(yīng)力強(qiáng)度,(3) 復(fù)合梁的膠合面,需要校核切應(yīng)力。,截面上的剪力較大,需要校核切應(yīng)力強(qiáng)度條件。,(2) 載荷離支座較近時(shí)
17、,,截面上的剪力較大;,(4) 木梁順紋方向,抗剪能力較差;,(5) 工字形截面梁,要進(jìn)行切應(yīng)力校核;,工字形梁:正應(yīng)力的最大值發(fā)生在橫截面的上下邊緣,,該處的切應(yīng)力為零;,切應(yīng)力的最大值發(fā)生在中性軸上,,該處的正應(yīng)力為零。,對(duì)于橫截面上其余各點(diǎn),同時(shí)存在正應(yīng)力、切應(yīng)力。,這些點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算,應(yīng)按強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。,注意,例題:懸臂梁由三塊木板粘接而成??缍葹?m。膠合面的許可切應(yīng)力為0.34MPa,木材的= 10 MPa,=1MPa,求許可載荷F。,1.畫梁的剪力圖和彎矩圖,2.按正應(yīng)力強(qiáng)度條件計(jì)算許可載荷,3.按切應(yīng)力強(qiáng)度條件計(jì)算許可載荷,4.按膠合面強(qiáng)度條件計(jì)算許可載荷,5.梁的許可載荷為
18、,例 鑄鐵梁的截面為T字形,受力如圖。已知材料許用拉應(yīng)力為 ,許用壓應(yīng)力為 , 。試校核梁的正應(yīng)力強(qiáng)度和剪應(yīng)力強(qiáng)度。若將梁的截面倒置,情況又如何?,(a) 確定中性軸的位置,(c) 最大靜矩:,(b) 計(jì)算圖形對(duì)形心主軸的慣性矩,(1) 平面圖形幾何性質(zhì)計(jì)算,(2)繪剪力圖、彎矩圖,計(jì)算約束反力:,作內(nèi)力圖,(3)正應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算,對(duì)于A截面:,(3)正應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算,對(duì)于D截面:,正應(yīng)力強(qiáng)度足夠。,結(jié)論,(4)切應(yīng)力強(qiáng)度校核,在A截面左側(cè):,切應(yīng)力強(qiáng)度足夠。,危險(xiǎn)截面,計(jì)算公式,(5)若將梁的截面倒置,此時(shí)強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致破壞。,例 : 已知 材料的 , ,試校核其強(qiáng)度。,C,4、確定正應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)
19、,進(jìn)行正應(yīng)力強(qiáng)度校核,分析:,非對(duì)稱截面;,1、塑性材料,,2、尋找形心,確定中性軸位置;,計(jì)算圖形對(duì)中性軸的主慣性矩,公式,5、確定切應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)行切應(yīng)力強(qiáng)度校核,公式,3、畫內(nèi)力圖,確定危險(xiǎn)面,(a)確定中性軸的位置,(b)計(jì)算截面對(duì)中性軸的慣性矩,(1) 平面圖形幾何性質(zhì)計(jì)算,(2)繪剪力圖、彎矩圖,計(jì)算約束反力:,作內(nèi)力圖,(3)正應(yīng)力校核,所以正應(yīng)力強(qiáng)度足夠安全。,問題:若材料為鑄鐵,截面這樣放置是否合理?,(4)切應(yīng)力校核,切應(yīng)力分布,所以切應(yīng)力強(qiáng)度足夠安全。,13-4 提高梁的彎曲強(qiáng)度的措施,1、合理布置支座,一、 降低 Mmax,2、合理布置載荷,降低 Mmax,安裝齒輪,靠
20、近軸承一側(cè);,3、集中力分散,降低 Mmax,二、梁的合理截面,增大抗彎截面系數(shù),截面面積幾乎不變的情況下,,截面的大部分分布在遠(yuǎn)離中性軸的區(qū)域,1、合理設(shè)計(jì)截面,抗彎截面系數(shù)WZ越大、橫截面面積A越小,,截面越合理。,來(lái)衡量截面的經(jīng)濟(jì)性與合理性,合理截面,合理截面,伽利略1638年關(guān)于兩種新科學(xué)的對(duì)話和證明,“空心梁能大大提高強(qiáng)度,而無(wú)須增加重量,,所以在技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。,在自然界就更為普遍了,,這樣的例子在鳥類的骨骼和各種蘆葦中可以看到,,它們既輕巧而又對(duì)彎曲和斷裂具有相當(dāng)高的抵抗能力?!?矩形截面中性軸附近的材料未充分利用,工字形截面更合理。,根據(jù)應(yīng)力分布的規(guī)律:,解釋,合理截面,合理截面要求上下危險(xiǎn)點(diǎn)同時(shí)達(dá)到各自的許用應(yīng)力。,對(duì)于塑性材料,宜設(shè)計(jì)成關(guān)于中性軸對(duì)稱的截面,對(duì)于脆性材料,宜設(shè)計(jì)成關(guān)于中性軸不對(duì)稱的截面,且使中性軸靠近受拉一側(cè)。,2、合理放置截面,豎放比橫放更合理。,為降低重量,可在中性軸附近開孔。,三、等強(qiáng)度梁,工程中的等強(qiáng)度梁,工程中的等強(qiáng)度梁,工程中的等強(qiáng)度梁,2、T型鑄鐵梁,承受正彎矩的條件下,下列哪一種放置中,強(qiáng)度最高?,討論,1、梁發(fā)生平面彎曲時(shí),橫截面繞 旋轉(zhuǎn) A:軸線; B:中性軸; C:橫截面對(duì)稱軸;,3、EA均相同,哪一個(gè)截面承擔(dān)的
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