基于语义的轮胎3D花纹自定义特征研究

汽车工程学报 / 2020年03月29日 11:45

视点

董玉德等

摘 要:企业在利用三维软件CATIA设计轮胎花纹的过程中,需进行大量重复繁琐的操作,为提高效率,创建了一套基于语义的轮胎3D花纹设计系统。该系统以CATIA/CAA为二次开发平台,通过研究轮胎花纹的形状与功能,对轮胎花纹语义进行分类,划分为不同的模块并提出相应的构造方法,然后将轮胎花纹的设计步骤通过程序组合,利用程序的自动识别来减少用户与CATIA平台的交互次数,开发出轮胎花纹造型专用工具,嵌入CATIA中,实现了轮胎花纹设计的快速与高效。

关键词:3D轮胎花纹;语义;二次开发;CATIA/CAA

中图分类号:TP391.7文献标文献标识码:A文献标DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2015.02.02

Abstract:In the process of using 3D software CATIA for tire tread designs, a large number tedious operations are repeated over and over again. In order to improve the efficiency, this paper created a set of 3D tire tread design system based on semantics and the secondary development on CATIA/ CAA platform. The semantics was classified by the shape and function of the tire tread patterns and divided into different modules. The corresponding design methods were proposed. And then the design steps of tire tread were assembled by using automatic recognition algorithm in order to reduce the number of interactions between users and CATIA platform. The developed modeling tool was embedded in CATIA platform to realize the fast and efficient design of tire tread.

Key words:3D-tire-treads; semantic; secondary development; CATIA/CAA

近年来,随着汽车行业的迅速发展,对汽车轮胎各方面的性能要求也越来越高,轮胎花纹设计的优劣直接关系到轮胎的使用性能及其寿命,因此改进胎面花纹设计是提高轮胎质量的重要途径之一。从花纹设计角度来看,设计人员需要有更快、更准确的设计方法。国内外一些科研机构与企业陆续借助计算机进行轮胎设计。这些工作主要有,二维花纹设计:子午线轮胎 CAD 系统[1];轮胎 CAD 软件系统图形平台[2];轮胎二维 CAD 系统[3]等。三维花纹设计:轮胎花纹设计专家系统[4];面向电极设计的花纹拆分投影工具[5];轮胎花纹块造型系统[6];利用 CATIA 的交互功能对轮胎花纹予以设计[7];沟槽的参数化及快速构建[8];自动绘制轮胎的设计系统[9]等。本文结合前人的经验开发出了一套基于语义[10]的快速准确的轮胎 3D 花纹自定义特征设计系统,该系统是基于CAA 对 CATIA 的二次开发,利用达索公司提供的 READ 模块集成到 Visual C++中生成的开发环境,应用不同 API 接口程序实现开发。根据轮胎花纹的语义,将轮胎花纹的冗繁设计操作通过程序组合,利用程序的自动识别来减少用户与 CATIA 平台的交互次数,开发出轮胎花纹造型专用工具,能够通过用户输入的参数快速地设计出相应的自定义特征花纹沟[11],并能够通过一定的检索方法对不同花纹沟的连接部分需要相互剪切的曲面进行处理,且能够对轮胎花纹常见辅助花纹及装饰花纹进行特征化设计,如沟底凸台、钢片、新胎标识线等。另外,系统还可将 3D 轮胎花纹直接展开成平面的 2D 轮胎花纹工程图,并能自动给出相应的截面剖面图。

传统轮胎花纹的设计一般先由设计员手工绘制2D 的花纹曲线样图,然后将 2D 的花纹曲线样图 Develop 在轮胎胎面上,利用曲面扫描功能,再修剪结合,形成沟的形状,即花纹片,在光胎实体上分割,形成花纹沟,最后对轮胎 3D 花纹的性能进行有限元分析,对轮胎花纹进行优化设计。

花纹片的设计为轮胎花纹设计的核心部分,其设计甚为繁琐,而轮胎花纹自定义特征设计系统就是实现花纹片的自动生成,其设计流程如图1所示,将虚方框内的操作利用程序整合,输入相关参数,快速生成花纹片。

另外,因轮胎花纹具有一定的相似性,根据轮胎花纹语义进行分类,利用轮胎花纹参数化设计系统设计的花纹片,建立三维标准花纹库,采用参数化设计,通过尺寸驱动的方法更改库中花纹以达到要求,简化了设计复杂程度,提高了效率。本文只介绍轮胎花纹自定义特征设计系统。

1 花纹语义

1.1 轮胎花纹语义的概念

1.1.1 轮胎花纹语义

是对轮胎花纹中数据符号的解释,不同的符号代表的概念和含义各不相同,它根据花纹的拓扑特征、形状特征、尺寸特征等划分,轮胎由这些语义集体组成。它是技术人员思考、创造的工程语言,也是设计制造的基本单元。

1.1.2 花纹构造语法

是对于这些符号之间的组织规则和结构关系的定义。通过不同的要素将轮胎表面槽体区分开来,并通过相应的法则赋予它们一定的意义。

1.1.3 主花纹沟(简称花纹沟)

是对轮胎表面在车辆行进过程中起主要作用的,宽度不低于1mm的各种沟槽的总称,是轮胎表面的重要组成部分。包括胎面花纹和胎肩花纹。

1.1.4 装饰品

是对除了主花纹沟以外的轮胎表面的其它各种形状的沟槽或突起的总称。

1.1.5 钢片

装饰品的一种,其花纹沟槽宽度较窄,两边侧面平行等距,用于降低轮胎噪声,减少裂纹。

1.2 轮胎花纹语义的分类

轮胎胎面花纹形状多样,构成花纹沟各侧面的曲面为复杂曲面,不是规则的形状,用标准特征建模方法无法实现。若要实现自定义特征的参数化设计,需将轮胎花纹特征拆分为小的单元,根据轮胎花纹语义的不同,将单元进行分类,划分为不同的语义模块,进行模块化设计,实现不同的功能语义。

根据轮胎花纹形状与功能要求对轮胎花纹语义进行分类,轮胎花纹语义一般可分为以下几类。

(1)花纹沟按表面形状语义可分为全封闭花纹沟语义类、半封闭花纹沟语义类和全开放花纹沟语义类,如图2所示。

(2)花纹沟按截面形状语义可分为一层花纹沟语义类、两层花纹沟语义类(带偏移与不带偏移)、三层花纹沟语义类(带偏移与不带偏移),如图3所示。

(3)花纹沟按沟底倒角语义可分为全圆弧倒角语义类、非全圆弧倒角语义类,如图4所示。

(4)花纹沟按引导曲线数目语义可分为单曲线语义类、多曲线语义类,如图5所示。

(5)花纹沟交汇类型语义按相交情况可分为“T”型交汇语义、“X”型交汇语义、“V”型交汇语义,如图6所示。

(6)钢片按其形状语义可分为简单钢片语义类、复杂钢片语义类,如图7所示。

(7)其它语义类:凸台类、磨耗标记类、肩沟类等,如图8所示。

2 不同语义花纹片的构造及主要算法

2.1 主花纹沟

在前面已经阐述了轮胎花纹语义的分类,这里以一层沟的设计和多曲线沟的设计为例,对主花纹沟进行程序设计介绍,另对胎肩花纹沟作简要介绍。其它花纹沟的设计方法基本类似。

首先轮胎的花纹沟面都是以胎面上的一条曲线为基准的与轮胎表面成一定角度的 sweep 曲面,sweep 曲面的一般表示形式为

CATIA 内部是通过使用某种标架和NURBS曲线逼近方法来实现 Sweep 曲面的生成,设通过此拟合方式控制得到的张量积 NURBS 曲面为,其逼近误差为ε,则有:

本文中设置误差精度为0.003,经验证可满足轮胎精度要求,具体函数和情况如下:

sweepOpe -> SetSmoothOption (1);

double AngleTol = 0.5 ; // in degrees

double Angle = AngleTol*CATDegreeToRadian;

sweepOpe ->SetSmoothAngleThreshold(Angle);

double iMax=0.03;

sweepOpe->SetCleanGuidesOption(1,& iMax…);

2.1.1 一层花纹沟

首先要把输入的曲线、曲面等从CATISpec-Object 转化为 CATBody,然后通过函数 CATCreate-TopProject( ) 把输入的曲线投影到轮胎表面上,在对投影后的曲线通过函数CATCreateFrFTopologicalSegmentSweep( ) 进行扫掠。扫描的曲面可以为固定角度或变角度,变角度有线性的、非线性的情况。在轮胎花纹中变角度使用的是一元线性曲线。

曲面扫描占据了花纹沟设计的绝大部分,其前处理一般包括以下步骤。

(1)扫描引导曲线延伸:通过函数代码spBodyOfTTSpine->GetAllCells(SpineAllPoints11, 0); 获取引导曲线上所有的点,并将其上所有点记录于点集合 SpineAllPoints11 内,通过计算距离函数 CATCreateDistanceMinTopo( )和 for 循环获取其所有点中到点 spBodyOfTTPoint11 最近的点,此时认为此点为所需要延伸的端点。使用函数CATCreateTopExtrapolWireOpe ( )对其进行延伸得到 pBodyExtrapo11,同理再对 pBodyExtrapo11 另一边延伸得到曲线 pBodyExtrapol2,如图10所示。

(2)计算 Sweep的 距离:获取曲线 pBodyExtra pol2上所有点,并通过函数CATCreateTopProject( )求其投影在参考底面上的点,通过计算距离函数 CATCreateDistanceMinTopo( )获取曲线上点与投影点之间的最小距离(图11),取所有最小距离中的最大值作为 Sweep 高度,记为 checkdist。部分程序如下:

int PointsCount = CheckPointslist.Size( ); //获取点的数目

for (int i=1;i<=PointsCount;i++)

{ ……………

CATDistanceMinBodyBody*MinBodytoBody=

::CATCreateDistanceMinTopo(……);

double dist=MinBodytoBody->GetDistance( ); //曲线上点与投影点的距离

if (checkdist<=dist)

{ checkdist=dist; } //获取最大值

}

(3)延伸后两侧变角度值修正:对延长曲线进行拓扑扫描时,若其倾斜角为线性变角度,需对延长线两端进行角度修正。因角度与延长线长度为线性相关性,其关系如图12所示,通过函数CATD-ynCreateMassProperties3D( ) 获取曲线长度linelong,通过计算公式:

finalangle11=(spinearc11-spinearc12)*exlong11/linelong+spinearc11; //计算角度finalangle11

finalangle12=spinearc12-(spinearc11-spinearc

12)*exlong12/linelong; //计算角度finalangle12

得到计算后的 Sweep 角度值记为 finalangle11和

finalangle12,即为延长曲线两端的角度值。

曲面扫描完成之后,对其进行修剪,形成花纹片的侧面与底面。

通过 CATCreateTopSplitShell( ) 函数用Sweep1

对 Bottom进行剪切,然后通过距离CATCreate

DistanceMinTopo( ) 判别函数,对 Split1方向进行判别。两种情况如图13步骤2所示。判别 Split1 与 Sweep2 是否相交,如果不相交则如情况1所示。对 Split1 进行反向处理,处理结果如情况2所示。然后对 Split1 再剪切,并判别是否与Sweep1 相交,不相交则做反向处理。

同理 Split3 对 Sweep1 或 Sweep2 进行剪切的时候也会出现反向的情况,处理方法与上述的方法一样。处理结果如图13步骤3所示。

通过上述步骤花纹沟已经生成,但一般花纹沟沟底都有相应的倒角,全圆弧倒角或两侧圆弧倒角。全圆弧倒角用 CATDynRemoveFaceFilletRibbon ( )函数设置参数,半圆弧倒角用CATDynFaceFaceFillet

Ribbon( ) 设置参数。设置参数后通过 CATCreateDyn

Fillet ( ) 生成相应倒角。

算法一, 花纹沟各曲面保留方向选择。下面是C++伪码,其数学符号如图13所示。

步骤1. 对曲线1和曲线2进行 sweep 得到SweepBody1 和 SweepBody2。

步骤2. 计算 SweepBody1、SweepBody2 与 Bottom (底面)的距离 D1和 D2。

步骤3. if ( D1 != 0 || D2 != 0 ) { 对SweepBody1或SweepBody2做反向处理}。

步骤4. 用 SweepBody1剪切 Bottom,得到SplitBody1并检验与 SweepBody2 的距离N1,用 SweepBody2 剪切 SplitBody1,得到 SplitBody2 并检验与 SweepBod1 的距离 N2。

步骤5. if ( N1 >= 0 ){对 SplitBody1 做反向处理}。

if ( N2 >=0 ){对 SplitBody2 做反向处理}。

步骤6. 用 Bottom 剪切 SplitBody1,得到SplitBody3,并检验与 Surface(轮胎表面)的距离 K1;用 Bottom 剪切 SplitBody2,得到 SplitBody3,并检验与 Surface 的距离 K2。

步骤7. if ( K1 != 0 ) {对 SplitBody3 做反向处理};

if ( K2 != 0 ) {对 SplitBody4 做反向处理}。

步骤8. 合并 SplitBody3、SplitBody4和Split

Body2(即花纹沟s两侧面和底面)为一个特征,并对沟底做相应的倒角,输出。

程序实例如图14所示。

2.1.2 多曲线花纹沟

多曲线花纹沟在曲面方向等方面的智能判断与一层沟基本相同,不做重复说明。下面就多曲线花纹沟如何智能生成不重叠且无间隙的曲面片,提出一种设计方法。

首先,多曲线花纹沟即花纹沟的侧面由不定数量的曲面组成,其不能单独分开来做,具体情况如图15所示。图中的 2D 花纹沟左边有3条曲线,右边有两条曲线,且位置相错所以无法分成单独的花纹沟来完成。这种情况下采用多曲线花纹沟设计。

算法二,多曲线花纹沟延伸点判别。

步骤1. 对输入的曲线Line1通过函数 GetAllCells( )获取各点,暂记为 Point1和 Point2。判断是否与引导曲线 Line2 相交,相交的点为Point2。

步骤2. 通过 CATCreateTopExtrapolWireOpe( ) 延伸函数对 Line1 由点 Point2向一侧进行延伸得到 Point9。其它曲线做法相同,最终结果如图15示。

步骤3. 对延伸过的曲线通过拓扑扫描函数。CATCreateFrFTopologicalSegmentSweep( )扫掠为曲面,

剪掉延伸出来的多余曲面。剪切过程中需要反复进行方向判别,判别方法主要以是否与延伸点相交来确定。以Line1为例,扫掠后为 Sweep1,用 Sweep2(Line2)剪切 Sweep1 得到 Split1,如果Split1 与 Point9 相交说明方向反了,需要反向,检验与 Point1 相交则说明方向正确。其它曲线采用相同的方法验证。

程序实例如图16所示。

2.1.3 胎肩花纹沟

肩沟为花纹沟的一种,与其它花纹沟的区别在于肩沟位于轮胎肩部,胎面肩部曲率变化幅度较大,引导线不能直接 Develop 在胎面上,其设计较为复杂,但是种类数目有限,故肩沟可通过自定义特征来实现。因曲率变化不连续,故在设计时,在胎肩一侧设置曲面,如图17界面所示,用以Develop 引导曲线,则扫描曲面为光顺的。具体程序实现过程与多曲线花纹沟的设计类似,程序实例如图17所示。

2.2 花纹沟的交汇处理

花纹沟的交汇语义主要可分为“T”型交汇语义、“X”型交汇语义、“V”型交汇语义3种。按沟的底面是否在同一平面内又可分为同底沟交汇语义和不同底沟交汇语义。是否同底可综合在上面3种类型里。3种交汇方式处理时需要用到的花纹沟的面并不相同,系统需要根据不同的情况智能地选择所需要的面。具体情况如图18所示。

首先假设需要处理的花纹沟分别为Groove1和Groove2,它们对应的面为G1F1(Groove1Face1)、G2B(Groove2Bottom)等。下面简介如何智能识别,智能识别所需的面以及花纹片剪切的程序开发方法,以“T”型交汇为例,其算法如下。

算法三,“T”型交汇方向只能选择,C++代码设计如下:

步骤1. 通过 GetNbDomains( ) 函数获取Groove1和 Groove2 的面的个数 N、M。

步骤2. 通过 GetDomain( )、 GetAllCells( )、 AddCell( )、AddDomain( ) 等函数分离各面,设分离后的面分别为G1FX(1)、G1FX(2)、G2FX(1)、G2FX(2)……;

for(int i=1;i<=N;i++)

{ for(int j=1;j<=M;j++)

{ 通过CATCreateDistanceMinTopo( )函数检测 G1FX(i)和G2FX(j)的相交性;

同时与3个面都相交首先得到面G1F1;

通过GetSurface( )方向判别分别得到G2F1、G2F2、G2B3个面;

确定所有面的对应关系; }

}。

步骤3. 通过 CATCreateTopSplitShell( ) 函数剪切,并智能判别保留方向(方法是通过判别是否与G1F2相交);合并结果,以特征形式输出结果。

程序实例如图19所示。

2.3 装饰品

花纹沟的装饰品按语义分类主要有以下几种:普通钢片、沟底凸台、磨耗标记、复杂钢片等。下面对主要装饰品的自定义特征设计做简要的介绍。

2.3.1 普通钢片

钢片是花纹块上的凹槽,用以软化花纹块,减小花纹块的应力。普通钢片的特征化设计采用的方法如下:以一条引导曲线和控制面为输入对象,通过 Sweep 将其扫掠为面,再用函数CATCreate-ThickenOp( ) 对其进行加厚处理,并通过函数 CAT-CreateDynFillet( ) 对钢片进行边倒角或底倒角,最后形成相应的特征,合并结果输出。具体程序实例如图20所示。

2.3.2 沟底凸台

沟底凸台是在花纹沟的底部突出的台阶,用以提高轮胎的自洁性。沟底凸台较为简单,其设计方法为:将轮胎底部的封闭图形通过函数CATCreateTopologicalFill( ) 填充后,再通过函数CATCreateThickenOp( ) 对其进行加厚处理,然后将伸出参考曲面的部分通过拓扑剪切函数CATCreateTopSplitShell( ) 进行剪切处理,合并结果输出。具体程序实例如图21所示。

2.3.3 磨损标记

磨损标记用来观测轮胎磨损程度,保证轮胎使用质量,具体设计方法为:将轮胎底部外面一个封闭图形通过函数 CATCreateTopologicalFill( ) 填充后,再通过函数 CATCreateThickenOp( ) 对其进行加厚处理,然后将里面填充,进行加厚处理,最后通过布尔运算得到联合在一起的特征。具体程序实例如图22所示。

2.3.4 修饰钢片

修饰钢片用来完成普通钢片两端的修饰部分及一些其它不规则装饰品的设计。修饰钢片设计可分为一层设计与双层设计,一层设计与多曲线花纹沟设计类似。钢片壁部折弯的两层钢片,其关键在于对 Centerline 的扫描处理,通过拓扑交线函数CATCreateTopIntersect( ) 求扫描面与参考中间的交线,对交线进行扫描,形成倾斜面,对所有扫描面与选取的参考面进行修剪与组合输出特征。具体程序实例如图23所示。

2.3.5 沟底钢片

沟底钢片是指钢片底部不平齐为台阶状且两侧面间距相等无倾斜角的花纹图形,具体设计方法为:通过函数 CATCreateTopSplitWire( )利用参数点将中心线分成线段,对各线段进行扫描之后,加厚成壳体,提取壳体两边侧面,分别求出两边侧面与参考面的交线,提取交线的端点,将两边相对应的端点利用函数 CATCreateTopExtrapolWireOpe( ) 在参考面上拓扑直线,对直线进行扫描形成沟底倾斜面,最后对侧面、倾斜面与参考底面进行修剪组合输出特征。具体程序实例如图24所示。

花纹沟还有其它一些装饰品设计,基本设计方法与上述相似,不做具体介绍。

经上述设计步骤,系统最后完成 3D 轮胎花纹的绘制,图25为完整 3D 轮胎花纹的示意图。

2.4 由3D图转2D工程图

轮胎的 2D 工程图是轮胎整个设计环节中的一大难点。首先,由轮胎的 3D 图展开成为2D平面图并且保证花纹沟的形状、位置等不发生变化;其次,3D花纹沟截面图要能够准确地描述花纹沟的截面尺寸,并对变角度等情况做出标示。

下面对工程图的转化提出一种设计方法,具体方法如下:

选取轮胎的一个截距,通过CATCreateTopDeve-lop( ) 函数把表面花纹曲线展开到某一平面上。

通过函数GetAllDomains( )、GetAllCells( ) 获取所有曲线,并GetVertices( ) 获取各曲线的参数(如起点、终点、半径等),然后保存于数据库中。

读取保存的数据,直接通过函数CreateLine( )、CreateArc( ) 等把这个截距的工程图绘制出来。

其它截距采用相同的办法处理,区别在于对坐标进行一定的转化使各个截距刚好相互连接起来。

对于花纹沟的截面采用相同的方法,在3D花纹沟设计中截面角度、沟的深度等都有相应的参数,并已将各参数保存在数据库中,只需将数据读出并在相应的位置绘出截面图即可。

3 系统数据管理与结构体系

3.1 花纹自定义特征模型

花纹自定义特征的创建是基于 CAA 的二次开发方式,通过借助达索公司提供的快速开发工具RADE(Rapid Application Development Environment)以及应用程序接口API(Application Programming Interface)来实现的。建立一个 CATIA 内部程序,在 CATIA 中新建一个独立的工作台(Workbench)或在 CATIA 原有工作台中添加自定义菜单、工具条和按钮图标,插入 CATIA 风格的对话框,并生成对界面功能的响应,建立Command,实现调用对话框并完成花纹特征建模代码的书写。

图26为花纹自定义特征模型框架图。其中用户界面是为了实现用户的交互操作;花纹特征建模是通过调用 CATIA 的二次开发接口实现的;借用数据库可以实现对花纹库的保存和管理。其中最重要的部分就是通过 CATIA 提供的二次开发工具和接口实现花纹的特征化设计。

3.2 数据管理

因为系统的整个数据体系并不算庞大,所以采用 ADO 连接方式和ACCESS数据库来实现。储存方式是以轮胎的文件名定义相应的数据表主要包括:(1)花纹沟截面参数数据表。(2)花纹沟曲线参数数据表。(3)各装饰品参数数据表。

3.3 系统结构体系

根据轮胎花纹语义的分类,可将轮胎花纹设计系统分为3个主语义设计模块,每个主模块又包含若干个子语义模块,每个子语义模块可实现该语义花纹片的自定义特征创建。主模块分别为:花纹沟语义设计模块,花纹沟交汇语义处理模块,装饰品语义设计模块。另外,为便于花纹图形显示,减少绘图,系统增加了工程图设计模块。

3.3.1 花纹沟设计模块

用来生成轮胎的各花纹沟,生成的花纹沟中包含有花纹沟的沟底倒角、台阶面等。按花纹沟的截面和表面语义种类该设计模块又可分为一层花纹沟设计、两层花纹沟设计、三层花纹沟设计、多曲线花纹沟设计以及胎肩花纹沟设计等子语义模块。

3.3.2 花纹沟交汇处理模块

用来对已生成花纹沟之间的连接部分进行修剪处理,处理过程中要保证花纹沟的相互贯通,且没有缝隙。花纹沟交汇语义处理模块可分为手绘花纹沟或曲面与自定义花纹沟(即系统生成的自定义花纹沟特征)交汇处理,自定义花纹沟交汇处理(包括“T”型交汇处理、“X”型交汇处理与“V”型交汇处理),花纹沟特征的分解处理与沟壁曲面合并成花纹沟特征(花纹沟交汇处理的辅助操作)等子语义模块。

3.3.3 装饰品设计模块

用来设计出轮胎装饰品,如按语义类型可分为:普通钢片特征设计、沟底凸台设计、磨耗标识线设计、沟底钢片(钢片底部为台阶状)与修饰钢片(钢片两端修饰部分)等子语义模块。

3.3.4工程图设计模块

用来把已经生成的 3D 花纹沟转化为 2D工程图。设计过程中要把3D轮胎展开为平面的2D工程图,并对花纹沟截面进行标注。

系统采用模块化的结构,各个主模块相互独立,相应的子模块也相互独立,系统结构如图27所示。

4 结论

本文对基于语义的3D轮胎花纹的自定义特征系统进行了详细的讨论,针对花纹绘制过程中的每一个步骤具体分析了其中采用的关键技术并给出了相应的算法、思路和具体实施方法。整个方案已经通过一套在CATIA平台上开发的高效、智能的系统得到了实现,该系统能够高效、规范地设计出常见的轮胎3D花纹。

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作者介绍

董玉德(1966-),男,安徽六安人。博士,教授,主要研究方向为计算机辅助设计(CAD/CAE/PDM)。Tel:0551-62901338-8035

E-mail:dydjiaoshou@126.com

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