柯 俊,史文庫,錢 琛,李國民,袁 可
(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室,吉林 長春130022;2.寧波華翔汽車零部件研發(fā)有限公司,浙江 寧波3150332;3.南京依維柯汽車有限公司,江蘇 南京210028)
為了滿足可持續(xù)發(fā)展的要求,輕量化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的必然趨勢.在剛度相同的前提下,復(fù)合材料板簧的質(zhì)量不到鋼板彈簧的一半,有利于降低汽車的油耗和排放.同時,它的疲勞壽命至少是鋼板彈簧的2倍,對汽車的舒適性、安全性都有明顯的提升作用,具有良好的應(yīng)用前景.因此,復(fù)合材料板簧成為了國內(nèi)外學(xué)者競相研究的熱點領(lǐng)域[1-3].目前,相關(guān)的研究主要集中在復(fù)合材料板簧的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和接頭設(shè)計方面[4-5],未見系統(tǒng)深入的與復(fù)合材料板簧性能匹配設(shè)計相關(guān)的研究.
復(fù)合材料板簧的剛度直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性,是復(fù)合材料板簧的關(guān)鍵性能參數(shù).然而,復(fù)合材料具有各向異性,鋪層數(shù)量有幾十層,設(shè)計變量非常多,導(dǎo)致復(fù)合材料板簧的剛度預(yù)測和匹配設(shè)計變得非常復(fù)雜和棘手.若剛度達(dá)不到要求,往往需要更改模具的結(jié)構(gòu),并反復(fù)調(diào)試鋪層方案和工藝參數(shù),導(dǎo)致研發(fā)成本和周期急劇上升.因此,如何準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合材料板簧的剛度,并在掌握鋪層參數(shù)與復(fù)合材料板簧剛度之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,合理高效地設(shè)計復(fù)合材料板簧的鋪層方案,使之一次性地達(dá)到設(shè)計的剛度,這對復(fù)合材料板簧的推廣應(yīng)用具有重要意義.
本文以設(shè)計剛度為目標(biāo),匹配設(shè)計了復(fù)合材料板簧的鋪層方案,并綜合應(yīng)用MATLAB 剛度計算程序和有限元法預(yù)測了復(fù)合材料板簧的剛度.樣件的臺架試驗結(jié)果表明,復(fù)合材料板簧的剛度得到了準(zhǔn)確的預(yù)測和合理的匹配設(shè)計.
鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)和安裝狀態(tài)如圖1所示.其中,橢圓形標(biāo)記和矩形標(biāo)記內(nèi)分別是鋼板彈簧的中部結(jié)構(gòu)和接頭結(jié)構(gòu).鋼板彈簧的相關(guān)參數(shù)如表1所示.其中K 為剛度,H0為自由弧高,L 為長度,b為寬度,F(xiàn)s為靜載荷,F(xiàn)m為動載荷.
圖1 鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)和安裝狀態(tài)Fig.1 Structure and install state of steel leaf spring
表1 鋼板彈簧的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of steel leaf spring
設(shè)計的復(fù)合材料板簧總成結(jié)構(gòu)如圖2所示.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),復(fù)合材料板簧簧身的最優(yōu)結(jié)構(gòu)是寬度以雙曲線形式變化,同時厚度從接頭到中部以線性形式增加[6-7].然而,變寬度結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致玻璃纖維布裁剪過程中的浪費.綜合考慮成本及輕量化性能,將復(fù)合材料板簧的簧身結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有較高材料利用率的等寬拋物線板簧結(jié)構(gòu).由于復(fù)合材料的比強度和比模量高于彈簧鋼,當(dāng)復(fù)合材料板簧和鋼板彈簧具有相同的剛度時,復(fù)合材料板簧的厚度必然小于鋼板彈簧.這將導(dǎo)致車身高度的降低并影響整車性能.因此在板簧中部下方設(shè)計了一個金屬夾板.該金屬夾板具有與簧身和板簧底座配對的凹凸面和凸臺,從而實現(xiàn)了板簧總成的準(zhǔn)確定位和縱向載荷的可靠傳遞,同時補足車身高度.接頭結(jié)構(gòu)方面,金屬接頭與簧身通過螺栓進行機械連接,并在簧身與金屬接頭之間的接觸面上采用高強度粘接劑進行粘接.
圖2 復(fù)合材料板簧總成Fig.2 Structure of composite leaf spring
聚氨酯的韌性、沖擊強度和對玻璃纖維的浸潤性都優(yōu)于環(huán)氧樹脂.因此,選擇聚氨酯作為復(fù)合材料板簧的基體材料.同時,選用具有較高性價比的E玻璃纖維作為復(fù)合材料板簧的纖維增強材料.此外,選用綜合性能優(yōu)良的40Cr鋼作為復(fù)合材料板簧中金屬零件的制造材料.
對E玻璃纖維/聚氨酯層合板進行樣件試制和力學(xué)性能試驗.試驗測得的E 玻璃纖維/聚氨酯層合板力學(xué)性能參數(shù)如表2所示.其中:Exx為縱向拉伸模量,Eyy為橫向拉伸模量,Gxy為面內(nèi)剪切模量,νxy、νxx、νyy為泊松比,ρ為密度,XT為縱向拉伸強度,XC為縱向壓縮強度,YT為橫向拉伸強 度,YC為橫向壓縮強度,Sxy為面內(nèi)剪切強度.
表2 E玻璃纖維/聚氨酯層合板的力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of E-glass/polyurethane
鋪層方向為0°時,玻璃纖維高強度、高模量的優(yōu)勢能夠得到最充分的發(fā)揮[8-10],因此選擇0°作為復(fù)合材料板簧的鋪層方向.由于復(fù)合材料板簧是較厚的層合板結(jié)構(gòu),對外部載荷的響應(yīng)呈現(xiàn)一定的整體性.因此,利用傳統(tǒng)的拋物線板簧設(shè)計理論來對復(fù)合材料板簧的簧身尺寸進行初步設(shè)計,并為鋪層方案的設(shè)計提供基本的框架.
壓平狀態(tài)下拋物線板簧的尺寸參數(shù)如圖3 所示.根據(jù)鋼板彈簧的圖紙,可直接確定的尺寸參數(shù)如表3所示,其中各尺寸參數(shù)的含義見圖3.為了使拋物線板簧具有預(yù)期的剛度,其中部厚度(H),端部厚度(h)和各截面的厚度(hx)仍需要確定.
圖3 壓平狀態(tài)下拋物線板簧的尺寸參數(shù)Fig.3 Parameters of parabolic leaf spring in flat status
表3 復(fù)合材料板簧的已知參數(shù)Tab.3 Known parameters of composite leaf spring
若l1=200 mm,根據(jù)相關(guān)設(shè)計理論[11],前、后半段拋物線段末端的厚度分別為
由于Lf與Lr接近,為了使板簧前、后半段的h相同,可以認(rèn)為
拋物線板簧的前半段的剛度(Kf)、后半段的剛度(Kr)和拋物線板簧的整體剛度(K)分別為
式中:E 為材料的彈性模量,ξ為修正系數(shù),ξ=0.92,I0為截面慣性矩,δ和λ均為計算參數(shù),無物理意義.
將K =120N/mm 代入式(5),聯(lián)立式(2)、(3)、(4),解得H≈37mm,h≈21mm,因此分別選定37和21mm 作為復(fù)合材料板簧的中部厚度和末端厚度.
鋼板彈簧的自由弧高H0=140 mm,因此復(fù)合材料板簧自由狀態(tài)下的曲率半徑為
通過上述計算,可初步確定復(fù)合材料板簧的大體尺寸.纖維體積含量為58%的單向E 玻璃纖維/聚氨酯層合板的厚度為0.808 mm,則鋪層總數(shù)量為37/0.808≈46.各鋪層的寬度為70mm,各鋪層長度可通過拋物線板簧的拋物線段外圍輪廓確定.通過上述方法即可建立起復(fù)合材料板簧的初步鋪層方案.
復(fù)合材料板簧的簧身是拋物線形,因此復(fù)合材料板簧的簧身被分成4部分,如圖4所示.圖中,區(qū)域A 由等長鋪層構(gòu)成,區(qū)域B 由漸變長度鋪層構(gòu)成,區(qū)域C 由漸變長度的短鋪層構(gòu)成.為了降低區(qū)域B 和區(qū)域C 中鋪層發(fā)生剝離破壞的可能性,設(shè)置區(qū)域D.區(qū)域D 由等長的長鋪層構(gòu)成.
圖4 初步鋪層方案的區(qū)域分布Fig.4 Regions in initial layer scheme
有了具體的鋪層后,就可以進行復(fù)合材料板簧剛度的理論計算了.復(fù)合材料板簧的受力分析圖如圖5所示.其中,F(xiàn) 為復(fù)合材料板簧受到的垂直外力,F(xiàn)f和Fr分別為復(fù)合材料板簧前、后接頭受到的支反力.ab 段和cd 段是復(fù)合材料板簧產(chǎn)生變形的區(qū)域.以ab 段為例,將ab 段平均分成許多薄片,每片長度為Δx,每片的彎曲剛度用Ki表示,其中i是每個薄片的序號.
圖5 復(fù)合材料板簧的受力分析圖Fig.5 Force diagram of composite leaf spring
對第i個薄片,選擇復(fù)合材料板簧的圓周方向作為x 軸,寬度方向為y 軸,厚度方向為z 軸.由于復(fù)合材料板簧具有一定的曲率,且是變截面的,因此第i個薄片的中性軸與幾何中心軸不重合,因此引入中性軸位移系數(shù)δ 來實現(xiàn)計算過程中誤差的修正,且有
式中:di為第i個薄片的中性軸(拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的分界)與幾何中心軸之間的距離.hi為第i 個薄片的厚度.若在第i個薄片中,第k層鋪層的截面與薄片的幾何中心軸之間距離為zikg,則第k 層鋪層的截面與薄片的中性軸之間距離為
對具體的鋪層而言,zikg和δhi均為已知量,則zik可通過式(7)計算得到.
根據(jù)經(jīng)典層合板理論[12],對第i個薄片,其正則化剛度系數(shù)由下式計算得到
式中:
式中:n為第i個薄片的鋪層數(shù)量,θk為第i個薄片中第k個鋪層的鋪層角度.
第i個薄片的正則化彎曲剛度矩陣D*,正則化面內(nèi)剛度矩陣A*和正則化耦合剛度矩陣B*可通過上面的正則化剛度系數(shù)表達(dá)式得到.則第i個薄片的彎曲剛度矩陣D,面內(nèi)剛度矩陣A 和耦合剛度矩陣B 分別為
可構(gòu)造出第i個薄片的柔度矩陣為
對第i個薄片,其承受的載荷向量可表示為
式中:Nx、Ny、Nxy為第i個薄片承受的力分量,Mx、My、Mxy為第i個薄片承受的扭矩分量.
則第i個薄片的應(yīng)變向量可表示為
應(yīng)變向量的第4行可表示為εx,該應(yīng)變分量是由Mx引起的,因此第i個薄片的彎曲剛度為
根據(jù)材料力學(xué),由Ff和Fr引起的板簧撓度分別為
式中:m 為ab段或cd 段中薄片的數(shù)量.則復(fù)合材料板簧的前半段剛度和后半段剛度分別為
則復(fù)合材料板簧的剛度為
基于各向同性材料的傳統(tǒng)拋物線板簧剛度計算結(jié)果和基于各向異性材料的復(fù)合材料板簧剛度計算結(jié)果的誤差是必然存在的,因此需要對初步鋪層方案進行調(diào)整,以修正復(fù)合材料板簧的剛度.因此,如何高效合理地修正復(fù)合材料板簧的剛度,是復(fù)合材料板簧剛度匹配設(shè)計中的重要問題.
在MATLAB軟件中,根據(jù)2.2 節(jié)中的計算理論,編寫了復(fù)合材料板簧的剛度計算程序,并利用該程序計算了鋪層方案關(guān)鍵參數(shù)與復(fù)合材料板簧剛度之間的關(guān)系,如圖6 所示.其中,θ 為鋪層角度,φB為纖維體積分?jǐn)?shù),nA為區(qū)域A 中的鋪層數(shù)量.
根據(jù)圖6(a),θ與K 之間的關(guān)系是非線性的,0°鋪層對應(yīng)的剛度最高而40°~60°鋪層對應(yīng)的剛度最低.同時,φB 與K 之間的關(guān)系是線性的,K 隨φB的升高而增大.與φB 相比,K 隨θ 的變化斜率更大,因此θ的剛度靈敏度大于φB 的剛度靈敏度.根據(jù)圖6(b),nA與K 的關(guān)系是非線性的,且隨著鋪層數(shù)量的增多,K 的增大幅度有增加的趨勢,且nA的剛度靈敏度大于φB 的剛度靈敏度.根據(jù)圖6(c),當(dāng)鋪層角度為0°時,K 隨nA的增多而增大的速率最快,且nA的剛度靈敏度大于θ的剛度靈敏度.
圖6 鋪層關(guān)鍵參數(shù)與復(fù)合材料板簧剛度之間的關(guān)系Fig.6 Relationships among key parameters of layer scheme and stiffness of composite leaf spring
綜上所述,通過調(diào)整鋪層角度、纖維體積分?jǐn)?shù)與區(qū)域A 中的鋪層數(shù)量均可達(dá)到調(diào)整復(fù)合材料板簧剛度的目的,但靈敏度不同.3個關(guān)鍵參數(shù)對復(fù)合材料板簧剛度的靈敏度從高到低排列分別是nA,θ及φB.同時,增減區(qū)域A 中的鋪層數(shù)量既不改變模具結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料板簧的應(yīng)力分布狀態(tài),具有很強的可行性,因此采用增減區(qū)域A 中的鋪層數(shù)量的方法來修正復(fù)合材料板簧初步鋪層方案的剛度.
根據(jù)上述設(shè)計理論,采用MATLAB 軟件編寫了復(fù)合材料板簧的剛度匹配計算程序,程序的流程圖如圖7所示.
圖7 計算程序的流程圖Fig.7 Flow-chart of MATLAB program
由于0°鋪層具有最佳的強度和抗蠕變、抗疲勞性能,因此將復(fù)合材料板簧的鋪層角度全部設(shè)置為0°(纖維排布方向沿板簧圓周方向).為了保證復(fù)合材料板簧的接頭強度,簧身末端鉆孔處設(shè)置一定比例的45°鋪層.根據(jù)剛度匹配計算程序的計算結(jié)果,若將復(fù)合材料板簧的剛度設(shè)計為120N/mm,區(qū)域A、B、C 和D 中的鋪層數(shù)量分別為:22層,21層,10層和2層.其中,區(qū)域C 中的鋪層數(shù)量對復(fù)合材料板簧的剛度影響較小,其鋪層數(shù)量由簧身凸臺的尺寸決定.
雖然MATLAB 計算程序可以快速地預(yù)測復(fù)合材料板簧的剛度,但理論計算模型經(jīng)過了大量的簡化,且不能直觀地驗證復(fù)合材料板簧的應(yīng)力分布和變形狀態(tài).為了彌補MATLAB 計算程序的不足,通過有限元方法來進一步驗證鋪層設(shè)計方案的合理性.
復(fù)合材料板簧的三維幾何模型是在CATIA 軟件中建立的.利用CATIA 軟件切割出簧身的4 個鋪層區(qū)域,并對復(fù)合材料板簧各零件進行模擬裝配和干涉分析.將復(fù)合材料板簧的三維幾何模型導(dǎo)入HYPERMESH 軟件中進行網(wǎng)格劃分.由于鋪層間的橫向剪切效應(yīng)和鋪層截面的正應(yīng)力不能忽略,因此采用體單元對復(fù)合材料板簧進行離散化.單元類型采用C3D8I單元,因為該類單元可以避免剪切自鎖現(xiàn)象,且單元具有較小變形的情況下對位移和應(yīng)力的計算精度較高.為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,采用六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格化分.最終為每一鋪層建立一層單元,并使相鄰鋪層單元之間的節(jié)點重合.模型共有457 482個單元和518 750個節(jié)點,如圖8所示.
圖8 復(fù)合材料板簧的網(wǎng)格Fig.8 Gridding of composite leaf spring
在刪除幾何元素后,將復(fù)合材料板簧的網(wǎng)格模型以INP 文件形式導(dǎo)入 ABAQUS 軟件.在ABAQUS軟件中,E 玻璃纖維/聚氨酯層合板的材料參數(shù)在Property模塊中以工程常數(shù)的方式定義,參數(shù)值按表1 輸入.復(fù)合材料板簧的鋪層參數(shù)由composite layup manager對話框定義,其中鋪層方向按照discrete method定義.然后,在Step模塊中建立3個載荷步,分別模擬中部U 型螺栓夾緊過程(0.02s),預(yù)加載過程(0.02s)和施加正弦垂向載荷過程(0.03s).在Step模塊中要求輸出參考點A 的載荷-時間曲線和位移-時間曲線.參考點A 與復(fù)合材料板簧的中部耦合.此外,在Interaction模塊定義綁定約束和耦合約束,在Load模塊定義載荷和邊界條件.其中,載荷施加在參考點A 上,載荷幅值與鋼板彈簧圖紙標(biāo)明的動載荷相同;接頭的運動約束通過約束參考點B 和參考點C 的自由度來實現(xiàn).參考點B 和參考點C 分別與復(fù)合材料板簧的后接頭內(nèi)表面和前接頭內(nèi)表面耦合.建立的復(fù)合材料板簧有限元模型如圖9所示.
將模型提交ABAQUS 軟件的求解器進行計算,并通過后處理模塊對計算結(jié)果進行處理.由參考點A 輸出的復(fù)合材料板簧剛度曲線如圖10 所示.其中S 為參考點A 的位移,F(xiàn) 為參考點A 受到載荷,根據(jù)圖10,通過有限元仿真預(yù)測的復(fù)合材料板簧剛度為119.8N/mm,滿足設(shè)計目標(biāo).
圖9 復(fù)合材料板簧的有限元模型Fig.9 Finite element model of composite leaf spring
圖10 通過有限元仿真得到的復(fù)合材料板簧剛度曲線Fig.10 Predicted stiffness curve of composite leaf spring according to finite element method
復(fù)合材料板簧承受18 500N 的最大垂向載荷時的應(yīng)力云圖如圖11所示.從圖11可看出,復(fù)合材料板簧的最大拉應(yīng)力是487.6 MPa,最大壓應(yīng)力為104.9MPa,均遠(yuǎn)低于E 玻璃纖維/聚氨酯層合板的拉伸極限強度和壓縮極限強度.此外,簧身的應(yīng)力分布比較均勻,沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,是近似的等強度梁,說明復(fù)合材料板簧的設(shè)計方案是合理的,可以進行樣件試制.
圖11 復(fù)合材料板簧的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress nephogram of composite leaf spring
為了驗證復(fù)合材料板簧剛度預(yù)測及匹配設(shè)計方法的正確性,通過高壓RTM 工藝(高壓樹脂傳遞模塑成型工藝)制作了3 個復(fù)合材料板簧樣件,如圖12所示.復(fù)合材料板簧總成的重量不到鋼板彈簧總成重量的40%.樣件試制的工藝參數(shù)為:抽真空后的模具溫度為70 ℃左右,樹脂注射壓力為11 MPa左右,合模壓力為200t,保壓30min.后固化溫度為120 ℃,后固化時間為2h.
圖12 復(fù)合材料板簧的樣件Fig.12 Samples of composite leaf spring
復(fù)合材料板簧的剛度臺架試驗如圖13所示.根據(jù)試驗結(jié)果,3個復(fù)合材料板簧樣件的平均剛度為118 N/mm,因此復(fù)合材料板簧的試驗剛度為118N/mm.
圖13 復(fù)合材料板簧的剛度臺架試驗Fig.13 Bench test for stiffness of composite leaf spring
復(fù)合材料板簧剛度的設(shè)計值、預(yù)測值和試驗值之間的對比如表4所示.從表4可看出,3個剛度值的誤差小于2%,說明復(fù)合材料板簧的剛度得到了準(zhǔn)確的預(yù)測和正確的匹配設(shè)計.
表4 剛度設(shè)計值、預(yù)測值及試驗值之間的對比Tab.4 Comparison among expected stiffness,predicted stiffness and test stiffness
(1)綜合應(yīng)用MATLAB計算程序和有限元法,可以快速可靠地預(yù)測復(fù)合材料板簧的剛度,并直觀地展示復(fù)合材料板簧的應(yīng)力分布和變形狀態(tài).
(2)根據(jù)有限元模擬的結(jié)果,設(shè)計的復(fù)合材料板簧近似為等強度梁,具有較高的材料利用率.
(3)根據(jù)樣件的臺架試驗結(jié)果,復(fù)合材料板簧的剛度得到了準(zhǔn)確的預(yù)測和正確的匹配設(shè)計.說明提出的復(fù)合材料板簧剛度的預(yù)測及匹配設(shè)計方法是正確的和有效的,可為類似工程問題提供參考,并大幅度降低復(fù)合材料板簧的開發(fā)周期和成本.
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