有限元方法及CAE软件简介
有限元法概述
大型商用的FEM通用软件分类
目前已经出现了许多大型结构分析通用软件，最早的 是美国国家宇航局（NASA）在1956年委托美国计算科学 公司和贝尔航空系统公司开发的ANASTRAN有限元分析 系统，该系统发展到现在已有几十个版本。此外，比较知 名的有限元分析软件还有德国的ASKA,英国PAFEC，法 国AYATUS，美国ABAUS、ADNA、ANSYS、BERSAF E、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC、STARNYNE 等。下面仅介绍几种当前比较流行的有限元软件。 （1） ANSYS。 ANSYS是融结构、流体、电场、磁 场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。其主要 特点是具有较好的前处理功能，如几何建模、网络划分、
电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦分 析，可以模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析 及优化分析能力；后处理的计算结果有多种显示和表达 能力。ANSYS软件系统主要包括ANSYS/Mutiphysics 多物理场仿真分析工具、LS-DYNA显示瞬态动力分析 工具、Design Space设计前期CAD集成工具、Design Xploere多目标快速优化工具和FE-SAFE结构疲劳耐久 性分析等。ANSYS已在工业界得到较广泛的认可和应 用。
现代设计理论及方法
有限元分析法
(Finite Element Analysis ， FEA)
概述
1、有限元法简介
有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是将 弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种 数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计 算工具。 目前，有限单元法在许多科学技术领域和实际工程问 题中得到了广泛的与应用，如，机械制造、材料加工、航 空航天、土木建筑、电子电气、国防军工、石油化工、船 舶、铁路、汽车和能源等，并受到了普遍的重视。 现有的商业化软件已经成功应用于固体力学、流体力 学、热传导、电磁学、声学和生物学等领域，能够求解由 杆、梁、板、壳和块体等单元构成的弹性、弹塑性或塑性 问题，求解各类场分布问题，求解水流管道、电路、润滑、 噪声以及固体、流体、温度间的相互作用等问题。
ug有限元分析
UG有限元分析什么是有限元分析有限元分析（FEA）是一种计算机辅助工程（CAE）方法，用于解决复杂工程问题。
它通过将结构或物体离散化为有限数量的子区域（有限元），并在每个子区域内确定适当的物理模型，从而近似求解连续结构中的应力、位移和其他物理特性。
有限元分析广泛应用于工程设计、结构分析、强度校核等领域。
UG(Unigraphics)是一款由西门子公司开发的集成化CAD/CAM/CAE软件。
它具有强大的建模和模拟功能，提供了一套完整的有限元分析工具，用于分析产品设计在各种载荷下的行为和性能。
UG有限元分析模块以其高度精确的计算结果和先进的求解算法而受到广泛的认可和应用。
UG有限元分析的优势1. 稳定性和准确性UG有限元分析采用了现代化的数值计算方法和稳定的数学模型，确保结果的准确性和可靠性。
它能够捕捉复杂结构的精细细节，并提供准确的应力和位移预测，帮助工程师做出准确的决策和优化设计。
2. 模拟功能的丰富性UG提供了丰富的分析类型和功能选项，使工程师能够模拟各种不同条件下的结构行为。
它支持静态分析、动态分析、热分析、疲劳分析等多种分析类型，以及多种材料模型和加载条件的设置，可满足不同工程需求的模拟分析。
3. 建模和后处理的高效性UG具有强大的建模工具和用户友好的界面，使建模过程变得高效和便捷。
用户可以通过简单的操作创建复杂的几何模型，并将其转化为有限元模型。
后处理工具提供了丰富的结果显示和分析功能，可对分析结果进行可视化处理，便于工程师对结果的理解和评估。
4. 与其他模块的集成性作为一款集成化的软件，UG有限元分析模块与UG其他模块（如CAD和CAM）的紧密集成，提供了全面的产品设计和工程分析解决方案。
它可以自动获取CAD模型的几何和材料信息，并将分析结果应用于后续的产品开发和制造过程中。
UG有限元分析的应用UG有限元分析在各个行业和领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用场景：1. 结构分析UG可以帮助工程师进行结构强度和刚度分析，对结构的载荷和约束条件进行预测和评估。
常用CAE分析简介
常用CAE分析简介1. 有限元分析（FEA）：有限元分析是一种将复杂结构分解为简单单元的方法，通过求解这些单元的力学行为，从而得到整个结构的力学性能。
有限元分析广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域，可以帮助工程师评估设计的强度、刚度、稳定性等性能指标。
2. 计算流体动力学（CFD）：计算流体动力学是一种利用数值方法模拟流体流动问题的方法。
通过CFD分析，工程师可以了解流体在特定条件下的速度、压力、温度等参数，从而优化设计，提高设备的性能。
CFD分析广泛应用于航空航天、汽车、化工、建筑等领域。
3. 多体动力学（MBD）：多体动力学是一种模拟多个刚体之间相互作用的力学分析方法。
通过MBD分析，工程师可以研究机械系统的运动特性、动力学性能和振动特性，从而优化设计，提高设备的可靠性。
MBD分析广泛应用于汽车、、航天器等领域。
4. 优化设计：优化设计是一种在满足一定约束条件下，寻找最优设计方案的方法。
通过优化设计，工程师可以在保证产品质量的前提下，降低成本、提高性能。
优化设计方法包括线性规划、非线性规划、遗传算法等。
5. 可靠性分析：可靠性分析是一种评估产品在使用过程中发生故障的概率的方法。
通过可靠性分析，工程师可以了解产品的故障模式和故障原因，从而优化设计，提高产品的可靠性。
可靠性分析方法包括故障树分析、故障模式与影响分析等。
CAE分析在工程领域具有广泛的应用，可以帮助工程师在设计阶段发现潜在问题，优化设计，提高产品质量和降低成本。
随着计算机技术的不断发展，CAE分析将在未来发挥越来越重要的作用。
6. 热分析：热分析是一种评估产品在温度变化下的热传导、热对流和热辐射性能的方法。
通过热分析，工程师可以了解产品在不同温度条件下的热性能，从而优化设计，提高产品的热效率和热稳定性。
热分析广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。
7. 声学分析：声学分析是一种评估产品在声波作用下的声学性能的方法。
通过声学分析，工程师可以了解产品在不同频率下的声压级、声强级和声功率级等参数，从而优化设计，提高产品的声学性能。
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法
机械设计基础机械设计中的CAE分析方法机械设计是工程领域中非常重要的一项任务，它涉及到各种机械设备的设计和制造。
而在现代机械设计中，CAE（计算机辅助工程）分析方法的应用越来越广泛，为设计师提供了强大的工具和技术支持。
本文将介绍机械设计中常用的CAE分析方法，以及它们在设计过程中的应用。
一、有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）有限元分析是机械设计中最常用的CAE分析方法之一。
它通过将实际的结构分割成有限数量的小元素，然后利用数值计算方法求解每个小元素的应力、变形等物理量。
这样可以在较小的计算范围内，准确预测结构的力学性能。
在机械设计中，有限元分析广泛应用于刚度、强度、稳定性、疲劳寿命等方面的评估。
设计师可以通过有限元分析来验证设计方案的可行性，确定合适的材料和尺寸，并最终优化设计方案。
二、计算流体力学分析（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）计算流体力学分析是机械设计中另一个重要的CAE分析方法。
它用数值方法解决流体力学方程，对液态、气态流体的流动、传热、传质等进行模拟和计算。
在机械设计中，计算流体力学分析常用于气动性能、液压性能、热传导等方面的研究。
通过CFD分析，设计师可以预测流体在机械设备中的流动状态和传热效果，为设计方案的改进提供重要的参考。
三、多体动力学分析（Multibody Dynamics Analysis，简称MDA）多体动力学分析是机械设计中用于研究刚体与刚体之间相对运动的CAE分析方法。
它将机械系统视为由多个刚体组成的多体系统，通过求解动力学方程，计算系统中刚体的位移、速度、加速度等运动参数。
在机械设计中，多体动力学分析广泛应用于机构设计、机械振动、运动机理等方面的研究。
通过MDA分析，设计师可以了解机械系统的运动规律和力学性能，优化机构设计，提高系统的工作效率和稳定性。
四、耦合分析（Coupled Analysis）耦合分析是机械设计中将多个CAE分析方法整合起来进行综合分析的方法。
CAE技术概述
目前，与CAD软件结合成为CAE（计算机辅助工程）
软件。
国内有限元法的形成与发展
1983年 梁教授开始研制FEPG 1993年 FEPG面世 1994年 获中科院科技进步二等奖 1995年 获国家科技进步二等奖 1996年 在数学家杨乐的建议下开始商品化 1999年 成立飞箭软件公司 2005年…… 已推出FEPG5.2 单机、网络、并行系列版本，国 内用户近200家 软件发明人
4. 其他
返回
无限元法
【定义】无限元方法是无限剖分的思想与有限元方法的结合， 它打破了“有限”的限制，因而比有限元方法更加灵活。 【特点】无限元是有限元方法中一种有限尺寸的无限单元， 可以有效的处理无限域与半无限域问题。
有限元法发展史
50年代，发展与萌生，单一功能程序，简单单元。
60年代，数学基础与证明，单一功能程序，多种单元。
1. 前处理 （有限元分析的主要步骤）
2. 模拟计算 3. 后处理
结束
CAE软件的前处理
1. 几何模型的建立或导入 2. 网格划分 3. 材料定义 4. 边界条件定义
5. 模拟参数的设定
返回
几何模型的建立与导入
1. 直接建立 2. 导入（IGES、STL等格式） 导入的几何模型可能存在缺陷，必要时 要进行修复
CAE技术概述
CAE简介
CAE技术是什么？？？ CAE技术有什么用？？？
CAE简介
CAE是Computer Aided Engineering（计算 机辅助工程）首字母的缩写。也称为计算机 辅助数值分析技术。
有限元软件ansys培训教程：第一讲常用CAE软件介绍.
Comsol Multiphysics软件
即为原来的FEMLAB软件，为多重物理场耦合分析软件系统。基 本模块中特色模块： 燃料电池 ( Fuel Cell ) 光电 (electronic optic ) 微机电 ( MEMS ) 两相流 ( Two Phase Flow ) 热传 ( Heat Transfer ) 专用模块： 化工模块 ( Chemical ) 结构分析模块 (Structural mechanics ) 电磁模块 ( Electromagnetics ) 热传 (Heat Transfer Module) 微机电 (MEMS Module) 地球科学 (Earth Science Module
工程计算软件系统第一讲
-常用CAE软件介绍 连志强
常用CAE软件系统介绍
通过这节课我们应该： 了解常用工程计算软件的分类； 记住常用工程计算软件的名字及主要功能； 了解一些行业专用的工程计算软件。
常用CAE软件系统分类
通常分类
通用类软件系统－可对多种类型的工程和产品的 物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和 优化，以实现产品技术创新。这类软件以覆盖 的应用范围广而著称； 专用类软件系统－针对特定类型的工程或者产品 所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软 件。这类软件因在某个特定领域的应用而见长；
Adina软件
ADINA是由Bathe开发的著名的有限元分析程 序，可以求解固体，流体，固-液耦合，热等 问题。包括模块有： ADINA－结构分析模块 ADINA-F－流体分析模块 ADINA-AUI－前后处理模块 ADINA-FSI－流固耦合分析模块 ADINA-T－热分析模块 ADINA-TMC－热结构耦合分析模块 ADINA-TRANSOR －与CAD系统
几乎所有的有限元分析的软件介绍——让你对CAE软件更了解
几乎所有的有限元分析的软件介绍——让你对CAE软件更了解有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种数值计算方法，用于求解结构、固体力学、热传导和流体力学等领域中的工程问题。
它通过离散化技术将复杂的连续体问题转化为一个有限数量的单元问题，再通过求解这些单元的代数方程组得到整个问题的近似解。
在工程领域，有限元分析常常被用来进行结构强度、振动、疲劳和优化分析等。
下面将介绍几个常见的有限元分析软件，包括ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA和SolidWorks Simulation。
1.ANSYSANSYS是一款全面的有限元分析软件，包含了结构分析、流体动力学、电磁场分析和耦合多场分析等功能。
它具有强大的前后处理功能和丰富的材料模型库，可以模拟各种复杂的物理现象。
ANSYS还提供了多种优化算法，用于进行结构和材料参数的优化设计。
它广泛应用于航空航天、汽车、能源和电子等领域。
2.ABAQUSABAQUS是一款广泛应用于工程和科学领域的有限元分析软件，主要用于求解复杂的结构、流体和热力学问题。
它具有强大的建模和求解能力，支持线性和非线性分析。
ABAQUS还提供了各种完整的元件库和材料模型，同时支持多学科的耦合分析。
它适用于多种工程和科学领域，如航空航天、汽车、生物医学和材料科学等。
3.LS-DYNALS-DYNA是一款专注于动力学和非线性问题的有限元分析软件，用于模拟高速碰撞、爆炸和弹道问题等。
它具有优秀的显式求解器和平行计算能力，能够处理大型和复杂的模型。
LS-DYNA还提供了丰富的材料模型和接触算法，支持多物理场耦合。
它适用于汽车、航空航天、国防和地震等领域。
4. SolidWorks SimulationSolidWorks Simulation是一款基于SolidWorks CAD软件的有限元分析工具，用于进行结构和流体力学分析。
它提供了友好的用户界面和强大的建模和分析功能，能够快速进行设计验证和性能优化。
CAE常用软件介绍解析
CAE常用软件介绍解析CAE（计算机辅助工程）是一种使用计算机来模拟和分析工程问题的方法，可以有效地预测和优化工程设计。
CAE软件是实现这种方法的工具，它们提供了一系列功能和工具，用于建立工程模型、进行仿真分析和优化设计。
下面是几个常用的CAE软件的介绍和解析。
1.ANSYS（美国分析系统公司）ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，在各个领域广泛应用。
它提供了完整的有限元模拟流程，包括前处理、求解和后处理功能。
用户可以使用ANSYS来进行结构分析、热分析、流体力学分析等多种仿真分析。
ANSYS还具有强大的优化功能，可以帮助工程师在设计过程中找到最佳解决方案。
2. Abaqus（达索系统公司）Abaqus是一种先进的有限元分析软件，广泛应用于结构、热、流体和多物理场的仿真分析。
它具有非线性分析、大变形分析、接触分析、疲劳分析等强大的功能。
Abaqus还拥有复杂材料建模和复杂装配体建模的能力，可以解决各种复杂工程问题。
3. SolidWorks Simulation（达索系统公司）SolidWorks Simulation是SolidWorks软件的一部分，用于进行结构和流体力学分析。
它提供了直观的用户界面和易于使用的工具，使工程师能够进行快速的仿真分析和设计验证。
SolidWorks Simulation可以进行线性和非线性分析、静态和动态分析、热分析、疲劳分析等。
它还与SolidWorks CAD软件紧密集成，实现了CAD和CAE的无缝连接。
4. Nastran（西尔斯公司）Nastran是一种通用的有限元分析软件，广泛应用于结构、热、流体和振动的仿真分析。
它具有强大的求解器，可以处理大型和复杂的工程模型。
Nastran还提供了广泛的材料模型和加载条件，可以满足各种复杂的仿真要求。
它还支持多物理场分析和优化设计。
5. COMSOL Multiphysics（COMSOL公司）COMSOL Multiphysics是一种高级的多物理场模拟软件，可以解决各种物理和工程问题。
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有限元建模
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
• 主体结构由钢筋混凝土看 台与带有可开合屋盖的大 跨度钢屋盖两部分构成。 屋盖的主结构由48根桁架 与中间环梁构成，支承在 周边24根组合柱之上。主 桁架围绕屋盖中部的环梁 放射形布置，与屋面及立 面的次结构一起形成了“ 鸟巢”的特殊建筑造型， 主场看台部分采用钢筋混 凝土框架－剪力墙结构体 系，与大跨度钢结构完全 脱开。
•
有限元方法解决问题时首先将复杂的形体划分成网格，每个网格就是一个单 元，网格分的越细，计算越精确
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Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
创建CAD模型
目标优化/拓扑优化
有限元模型
力学模型
求 解
不 满 足
检验设计
满 足 设 计 要 求
结果后处理
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什么是有限元分析?
• 有限元能够干什么？
Training Manual
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
Stress/Deformation of Rotor Hub & Nacelle Base
Unsteady contours of air velocity and path lines 西安交通大学 机械工程及自动化研究所
应用举例：土木建筑
Training Manual
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
应用举例
Training Manual
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
应用举例
Training Manual
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有限空间 无限精彩
李兵
西安交通大学
bli@
引言
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
一张照片引发的。。。
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引言
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Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
应用举例：航空航天
机翼结构分析
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
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有限元建模
• 局部分析 • 为了减轻钢结构自重,对受力较小的次结构构件考虑施加 劲肋
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
加肋薄壁箱形构件的轴向力－轴向变形曲线
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
应用举例：电子电器
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
应用举例
Training Manual
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
• 位于北京奥林匹克公园中 心区内，是2008年第29 届奥运会的主体育场，承 担奥运会开、闭幕式与田 径比赛。
• 纵横交错的钢铁枝蔓总重 4.2万吨，其中，顶盖及 周边悬空部位重量为1.4 吨。在施工时，采用了78 根支柱进行支撑，也就产 生78个受力区域，在钢结 构焊接完成后，需要将其 缓慢而平稳地卸去。
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0.7410
0.74119 0.74815 0.74948 0.77800 0.88401 0.88668 0.94100 0.94378 0.97805 0.98842 1.06030 1.06160 1.18530 1.28690
1.34953
1.34918 1.33663 1.33426 1.28535 1.13121 1.1278 1.0627 1.05957 1.02244 1.01172 0.94313 0.94197 0.84367 0.77706
0.72015 0.71979 0.66063 0.66002 0.64788 0.64338 0.62406 0.62395 0.61943 0.56344 0.56243 0.55340 0.55081 0.55060
• 动力分析 • 地震分析采用振型分解 反应谱法，地震作用效应采用 CQC法。整体模型取振型120 个
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
•本例的理论解为：
d = PL3/3EI = (-100)*(103)/(3)*(30e6)*(1/12) = -0.013
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引言
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
箱形薄壁构件塑性区
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有限元建模
• 复杂节点计算
Ansys整体计算得 到构件内力 ( 梁单 元模型) 建立节点实体模 型并加载 求解并观察后 处理，看结果 是否满意
Training Manual
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
Rotor dynamics of Shaft
Stable Analysis of Tower
Fatigue/Life of Welded Part
Rigid Dynamics of Old Ham Coupling
Magnetic Lines of 2D Motor
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有限元建模
• 静力分析
序号 频率(HZ) 表1 结构的周期与频率 周期(s) 序号
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
频率(HZ)
周期(s)
•
恒荷载、活荷载，雪荷载 、风荷载、温度作用。其中恒 荷载含结构自重、吊顶、水槽 设备等
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应用举例：机械能源
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
Frictional contact
Assembling 西安交通大学 机械工程及自动化研究所
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
引言
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
引言
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起 来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体 力学领域 -- 飞机结构静、动态特性分析中应用的一 种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求 解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
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引言
• • • 为了了解将要学习的内容，我将做一个简单的例子。 通过GUI方式来做这个例子，不讨论任何有关建模的细节。 本例是一个在端点施加集中荷载的悬臂梁。
有限元建模
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
什么是有限元分析?
• 但是对于复杂形体是不可能得到解析解
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INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1
• 有限元分析是一种模拟在确定的荷载条件下的设计响 应的方法 解西安交通大学 机械工程及自动化研究所
离散化
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有限元建模
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应用举例
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