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        大型船舶系泊模式設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

        2020-05-11 09:35:52王志斌奚英奇姜圣俊
        船舶 2020年2期
        關(guān)鍵詞:本船舾裝纜繩

        王志斌 徐 強(qiáng) 奚英奇 王 果 姜圣俊 韓 燦

        (中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)

        引 言

        常規(guī)船型的系泊設(shè)計(jì)一般以CCS 鋼規(guī)中的舾裝數(shù)計(jì)算公式為基礎(chǔ)開展相關(guān)設(shè)計(jì),選取對應(yīng)破斷強(qiáng)度的纜繩規(guī)格及數(shù)量,但該舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)是假定環(huán)境條件為風(fēng)速25 m/s,流速2.5 m/s[1],未給出波浪載荷條件。由于本船為設(shè)有島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型,CCS 鋼規(guī)中的計(jì)算公式不能完全將本船的受風(fēng)影響考慮在內(nèi);更重要的是,本船所??康拇a頭常年存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷,波浪載荷對船體作用力非常明顯。相關(guān)資料顯示,國內(nèi)外均發(fā)生過因波浪載荷過大而引起纜繩斷裂的事故?;谝陨辖?jīng)驗(yàn),本文認(rèn)為基于CCS 舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果的系泊設(shè)計(jì)對本船來講適應(yīng)性較差,風(fēng)險(xiǎn)較高。

        在碼頭系泊設(shè)計(jì)領(lǐng)域,孫英廣[2]等指出:規(guī)范計(jì)算適應(yīng)于初期設(shè)計(jì)階段,在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,應(yīng)采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法對系纜張力進(jìn)行分析與研究。高峰等對數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法用于船舶系泊問題研究的優(yōu)劣進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)[3]。國內(nèi)眾多學(xué)者針對大型油輪、散貨船、LNG 運(yùn)輸船、礦石船等開展了大量的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)研究,在各類船舶系泊方式優(yōu)化、碼頭設(shè)計(jì)等方面取得了大量的具有實(shí)際工程意義的成果[4-5]。

        為能夠科學(xué)、合理地開展本船的系泊設(shè)計(jì),本文通過規(guī)范設(shè)計(jì)-仿真-試驗(yàn)三種途徑開展本船的系泊模式設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作,最終形成可靠的設(shè)計(jì)方案,能夠用于指導(dǎo)實(shí)船的碼頭系泊作業(yè)。

        1 多系泊模式設(shè)計(jì)

        1.1 規(guī)范設(shè)計(jì)

        為盡量提高前期理論設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,項(xiàng)目組對比了LR、GJB 及CCS 中的舾裝數(shù)計(jì)算方法,針對本船主尺度,計(jì)算結(jié)果對比見表1。

        從表1 的計(jì)算對比結(jié)果分析,CCS 計(jì)算出的舾裝數(shù)最小,比LR 計(jì)算值低兩檔;GJB 計(jì)算出的結(jié)果與LR 結(jié)果相接近,但GJB 的舾裝數(shù)最大一檔僅為1 930~2 080,無法指導(dǎo)本船設(shè)計(jì)。因此,從前期設(shè)計(jì)精度考慮,本船以LR 舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行初步的系泊模式設(shè)計(jì)。

        按照LR 算出的舾裝數(shù)結(jié)果,對應(yīng)的系泊配置見表2。

        表1 舾裝數(shù)結(jié)果對比表

        表2 舾裝數(shù)配置表

        由于舾裝數(shù)公式中沒有考慮波浪作用,其計(jì)算結(jié)果選用的纜繩破斷力偏小,不完全適用于本船碼頭風(fēng)浪流環(huán)境下的系泊,但可作為本船纜繩選取的基礎(chǔ),而纜繩破斷力的實(shí)際值需要進(jìn)一步通過仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)進(jìn)行研究確認(rèn)。

        參考表2 中的纜繩數(shù)量,結(jié)合傳統(tǒng)的系泊模式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),即“艏艉纜+橫纜+倒纜”的模式,形成初步的系泊模式方案,見圖1,作為仿真計(jì)算的初始設(shè)計(jì)輸入。

        圖1 系泊模式1

        1.2 仿真分析計(jì)算

        1.2.1 仿真方法

        在ANSYS 模塊中建立船體模型,采用面元積分法在AQWA-LINE 模塊中對船體進(jìn)行頻域分析,得到RAO、一階波浪力、二階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等船體水動力基本參數(shù),然后按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算本船的風(fēng)力系數(shù)及流力系數(shù),在AQWADRIFT 模塊中,采用時(shí)域耦合的分析方法,對船體-碼頭系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析,求解船舶系泊纜繩的張力。

        1.2.2 計(jì)算工況

        按照調(diào)研碼頭的水文資料和3 級海況的浪高范圍,本文中選取2 組典型三一波高H1= 1.069 m(2年一遇)、H2= 1.291 m(50 年一遇)對應(yīng)的工況進(jìn)行計(jì)算分析。流速值采用調(diào)研碼頭的最大實(shí)際流速0.51 m/s,工況組合見表3。

        表3 典型仿真工況

        表4 纜繩受力結(jié)果

        1.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        本文基于8 根纜繩的系泊方式,將1~8 號纜繩的張力計(jì)算結(jié)果示于表4。

        從表4 中的纜繩張力結(jié)果分析,最大張力出現(xiàn)在A1 工況6 號纜繩處,為93.897 t。與表2中的舾裝數(shù)規(guī)定的纜繩破斷力相比,3 級海況上限時(shí),兩組工況仿真結(jié)果中的纜繩張力均大于618 kN(63.06 t),并且纜繩最大張力均出現(xiàn)在該6 號短橫纜。

        基于8 根纜繩的系泊方式,結(jié)合表4 中的仿真結(jié)果,三級海況下纜繩上產(chǎn)生的最大張力為93.897 t,因此初步將本船的系泊纜繩選定為超高分子聚乙烯纜,破斷負(fù)荷為97.85 t。

        為進(jìn)一步驗(yàn)證該系泊方案的合理性及科學(xué)性,本文后續(xù)將重點(diǎn)介紹通過水池模型試驗(yàn)對本船系泊模式的研究及優(yōu)化改進(jìn)。

        2 多系泊模式優(yōu)化

        2.1 試驗(yàn)條件和內(nèi)容

        2.1.1 試驗(yàn)條件

        (1)水位:碼頭設(shè)計(jì)高水位為+4.31 m,設(shè)計(jì)低水位為+0.43 m,試驗(yàn)時(shí)取平均設(shè)計(jì)水位+2.37 m。

        (2)潮流:主流向基本與海岸平行,最大流速為0.51 m/s。

        (3)波浪:為方便對比分析,本文僅選擇幾種典型波浪工況進(jìn)行分析對比:有義波高1.069 m、1.291 m、1.37 m;譜峰周期分別為8.59 s、15.37 s、10.902 s。波浪方向?yàn)槭仔崩?35°。

        (4)風(fēng)速:22 m/s、25 m/s。

        (5)試驗(yàn)船型:按照本船的使用需求,本船試驗(yàn)時(shí)取滿載狀態(tài),船舶的主要參數(shù)見表5。

        表5 試驗(yàn)船型主要尺度及有關(guān)參數(shù)

        (6)系泊纜:本船采用直徑40 mm 的超高分子聚乙烯纜,破斷負(fù)載97.85 t。

        (7)碼頭結(jié)構(gòu)及系纜設(shè)施:碼頭型式為突堤重力式;碼頭采用1 500 kN 系船柱,間距25 m,系船柱距離碼頭邊緣1.5 m。碼頭的長度、寬度可認(rèn)為足夠大。

        2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

        基于圖1 中的系泊模式開展風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的船舶系纜力及船舶六自由度運(yùn)動,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果開展系泊模式的優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證。

        2.2 模型相似

        根據(jù)船舶尺度和海洋工程水池模型試驗(yàn)設(shè)施條件與能力,選定實(shí)體和模型之間的縮尺比為λ= 50,保證實(shí)物與模型之間重力相似及慣性相似。波高、波長、水深均按縮尺比λ計(jì)算;時(shí)間縮尺比λT=λ0.5,力縮尺比λF=γ λ3,慣性矩縮尺比λJ=γ λ5,質(zhì)量縮尺比λM=λ3,橫搖及縱搖周期縮尺比λT=λ0.5。

        2.2.1 系泊纜繩“負(fù)荷-伸長”非線性彈性特性模擬

        試驗(yàn)中采用兩根輕質(zhì)彈簧A、B 串聯(lián)來模擬目標(biāo)纜繩的彈性系數(shù)。模擬結(jié)果見圖2。

        圖2 纜繩非線性特性模擬

        從圖中比較可以看出模型試驗(yàn)較好地模擬了本船超高分子纜的非線性拉伸彈性特性。

        2.2.2 船舶模擬

        船舶的模擬按重力相似滿足以下條件:幾何相似、靜力相似和動力相似。

        2.2.3 碼頭模擬

        碼頭原型為重力突堤式碼頭,碼頭設(shè)計(jì)橫截面見圖3。試驗(yàn)中碼頭模型具有較大的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量,不會因波浪作用而有任何移動和變形,并能模擬實(shí)際碼頭波浪90°入射后的反射情況。

        圖3 碼頭橫截面

        2.3 海洋環(huán)境條件模擬

        海洋環(huán)境條件坐標(biāo)系定義如下:船艉至船艏方向定義為0°,順時(shí)針為正。

        2.3.1 潮流模擬

        試驗(yàn)時(shí)以恒定流模擬碼頭出現(xiàn)的最大流速0.51 m/s,潮流方向與碼頭平行,潮流模擬值為0.072 m/s。

        2.3.2 風(fēng)速模擬

        實(shí)際風(fēng)速取22 m/s、25 m/s,試驗(yàn)時(shí)通過軸流風(fēng)機(jī)模擬風(fēng),經(jīng)過風(fēng)速儀測量標(biāo)定水面以上0.2 m(實(shí)際值為10 m)的平均風(fēng)速為試驗(yàn)?zāi)P椭?,模型值?.11 m/s、3.536 m/s。

        2.3.3 波浪模擬

        波浪模擬通過調(diào)節(jié)造波機(jī)搖板的振幅及周期來實(shí)現(xiàn),同時(shí)在船舶所在位置采用電阻式浪高儀實(shí)時(shí)測量波浪的波面升高和周期。波浪選用JONSWAP譜,譜峰參數(shù)選擇3.3;試驗(yàn)波浪采樣時(shí)間不小于8.5 min,采樣頻率25 Hz,采樣點(diǎn)不少于16 500 點(diǎn),有義波高和譜峰周期誤差控制在5%以內(nèi)。

        圖4 -圖6 為目標(biāo)波浪與模擬值得對比圖像。

        圖4 有義波高1.07 m波浪模擬結(jié)果

        圖5 有義波高1.291 m波浪模擬結(jié)果

        圖6 有義波高1.37 m波浪模擬結(jié)果

        2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.4.1 系泊模式1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        (1)系泊模式及試驗(yàn)工況

        采用圖1.1 中傳統(tǒng)的系泊模式,試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%;系泊纜的長度模擬見下頁表6。

        選取2 組典型試驗(yàn)工況,見下頁表7。工況A1、A2 環(huán)境條件與仿真計(jì)算中的01、02 工況一致,不同點(diǎn)在于模擬水深為17.37 m,比仿真工況水深15 m 略大。

        (2)試驗(yàn)結(jié)果

        纜繩張力結(jié)果見下頁表8,船體運(yùn)動見下頁表9。

        表6 系泊模式1下纜繩長度模擬m

        表7 試驗(yàn)工況1

        表8 纜繩張力1

        表9 船體運(yùn)動值1

        (3)試驗(yàn)分析

        根據(jù)兩組工況的纜繩張力結(jié)果分析,纜繩張力較大值主要出現(xiàn)在艏部短橫纜、尾部短艉纜、短倒纜上,并且纜繩受力分布極不均勻;A1 工況纜繩最大張力值為125.563 t,A2 工況纜繩最大張力值為315.444 t,均超過本船纜繩破斷力。

        A1 工況采用2 年一遇的短周期波,A2 工況采用50 年一遇的長周期波,雖然波高幅值相差不大,但從表8 -表9 中可以看出,長周期波對纜繩張力、船體運(yùn)動幅影響甚大,能引起上述值大幅增加。

        試驗(yàn)工況A1 與仿真工況01、試驗(yàn)工況A2 與仿真工況02 的纜繩張力對比見圖7、下頁圖8。

        圖7 A1工況與01工況纜繩張力對比

        從圖7 和圖8 中可以看出,模型試驗(yàn)結(jié)果中的纜繩最大張力遠(yuǎn)大于仿真試驗(yàn)結(jié)果;圖8 中可以看出仿真試驗(yàn)結(jié)果并未體現(xiàn)出長周期波對纜繩張力的巨大影響。

        圖8 A2工況與02工況纜繩張力對比

        按照模型試驗(yàn)結(jié)果分析,系泊模式1 的系泊方案及纜繩配置并未達(dá)到本船3 級海況系泊的要求,因此需要從優(yōu)化系泊模式或增大系泊纜破斷負(fù)荷兩方面對本船的系泊設(shè)計(jì)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        由圖7 可見:系泊模式1 下的纜繩張力受力極不均勻,短纜的張力過大,而長纜的利用率卻很低,具備通過優(yōu)化系泊纜布置提升整體系泊能力的可行性,考慮到增大系泊纜強(qiáng)度將導(dǎo)致系泊設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)困難,因此選擇通過優(yōu)化系泊模式1 來提高本船的碼頭系泊能力。

        2.4.2 系泊模式2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        (1)系泊模式及試驗(yàn)工況

        基于系泊模式1,項(xiàng)目組增加了艏部2 號、3號短纜和艉部6 號短纜的長度,使2 號至6 號纜的長度盡量相當(dāng),并取消了短橫纜,如圖9 所示。試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

        系泊纜的長度模擬見表10。

        選取2 組典型試驗(yàn)工況見表11。

        (2)試驗(yàn)結(jié)果

        纜繩張力結(jié)果見表12。

        船體運(yùn)動值見下頁表13。

        圖9 系泊模式2

        表10 系泊模式2下纜繩長度模擬m

        表11 試驗(yàn)工況2

        表12 纜繩張力2

        表13 船體運(yùn)動值2

        (3)試驗(yàn)分析

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,相同工況下A1 下,系泊模式1、2 下的纜繩受力對比見圖10。

        圖10 A1工況下系泊模式1、2的纜繩受力對比圖

        從試驗(yàn)結(jié)果及圖10 可以看出,系泊模式2 中的纜繩最大張力為101.923 t,比系泊模式1 中最大張力125.563 t 約下降18.83%,但仍略大于本船系泊纜的破斷強(qiáng)度。

        在相同工況A1 下,系泊模式1、2 下的船體運(yùn)動對比見圖11。

        從圖11 中分析可以看出,系泊模式2 下的橫蕩運(yùn)動顯著增加,其他運(yùn)動幅度與系泊模式1 基本相當(dāng)。本文分析,系泊模式2 中橫蕩運(yùn)動顯著增加與取消短橫纜有關(guān)。

        在A3 工況下,波高幅值提高至1.37 m,風(fēng)速下降至22 m/s,從計(jì)算結(jié)果看,纜繩最大值達(dá)到160.413,同樣超過纜繩破斷力。

        圖11 A1工況下系泊模式1、2的船體運(yùn)動對比圖

        整體來看,系泊模式2 的系泊能力較系泊模式1 有一定幅度的提升,通過增大艏艉短纜的纜繩長度使整體纜繩長度趨于均勻,能夠有效地提高碼頭系泊能力,但帶來的問題是導(dǎo)致船舶橫蕩運(yùn)動變大,為進(jìn)一步降低纜繩的受力,需對系泊模式2 再次進(jìn)行優(yōu)化。

        2.4.3 系泊模式3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        (1)系泊模式及試驗(yàn)工況

        基于系泊模式2,進(jìn)一步增加了艏部3 號、4號纜繩和艉部5 號、6 號纜繩的長度,使8 根纜繩整體在長度上更為接近,形成系泊模式3,如圖12所示。試驗(yàn)中每根纜繩的預(yù)緊力不超過纜繩破斷力的10%。

        系泊纜的長度模擬見表下頁14。

        選取2 組典型試驗(yàn)工況,見下頁表15。

        圖12 系泊模式3

        表14 系泊模式3下纜繩長度模擬m

        表15 試驗(yàn)工況3

        (2)試驗(yàn)結(jié)果

        纜繩張力結(jié)果見表16,船體運(yùn)動值見表17。

        表16 纜繩張力3

        表17 船體運(yùn)動值3

        (3)試驗(yàn)分析

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,相同工況下A1 下,系泊模式1、2、3 的纜繩受力對比見下頁圖13;不同系泊模式下的纜繩實(shí)際長度對比見下頁圖14。

        從圖13 中可以看出,系泊模式3 中的纜繩最大張力為96.988 t,相比較系泊模式1 中最大張力下降22.7%,相比較系泊模式2 中最大張力下降了約4.84%,并且小于本船纜繩破斷力,整體系泊能力更強(qiáng),具備3 級海況上限浪高下碼頭系泊的能力,能夠達(dá)到本船使用要求。同時(shí)通過對比圖13中不同系泊模式下的纜繩受力平均偏差值得出,系泊模式3 纜繩受力平均偏差最小,不僅整體系泊能力更強(qiáng),而且纜繩受力更加均勻。

        本次模型試驗(yàn)中,系泊模式的優(yōu)化主要在于調(diào)整短纜的長度,使整體8 根纜繩的長度趨于相當(dāng),并未增加系泊纜的破斷強(qiáng)度。從圖14 中可以看出,系泊模式3 中的各纜繩長度分布更均勻,對應(yīng)于圖13 中的該系泊模式下纜繩最大張力最小,纜繩受力也更均勻。

        相同工況A1 下,系泊模式1、2、3 下的船體運(yùn)動對比見圖15。

        圖13 A1工況下系泊模式1、2、3的纜繩受力對比圖

        圖14 不同系泊模式下的纜繩長度對比圖

        圖15 A1工況下系泊模式1、2、3的船體運(yùn)動對比圖

        圖16 A3、A4工況下的纜繩受力運(yùn)動對比圖

        通過圖15 對比船體運(yùn)動幅值得出,系泊模式3 下的橫蕩、橫搖大幅增大,并且其它運(yùn)動幅值也有一定幅度的增加。

        工況A4 下的纜繩受力與系泊模式2 中工況A3 的纜繩受力對比見圖16。

        A4 工況與A3 工況相比,風(fēng)速提高到25 m/s,環(huán)境條件更加惡劣,但從圖16 中可以看出,A4 工況下的纜繩最大張力比A3 工況下的纜繩張力大幅降低,通過查表12、表16 并計(jì)算求得纜繩最大張力約下降30.06%,且A4 工況纜繩張力的平均偏差大幅小于A3 工況,纜繩受力均勻性更好。

        基于系泊模式3 下的試驗(yàn)結(jié)果,得出通過調(diào)整纜繩長度使纜繩長度盡量保持均勻,避免短纜出現(xiàn),可以明顯的提高纜繩受力均勻性和整體系泊能力;在未增加系泊纜強(qiáng)度的情況下,通過優(yōu)化系泊模式使本船在碼頭具備了3 級海況上限下系泊的能力,同時(shí)也明確了本船系泊纜配置數(shù)量及破斷負(fù)荷(97.85 t)。

        3 結(jié) 語

        (1)針對受風(fēng)面積特殊的船型,在前期的系泊設(shè)計(jì)過程中,LR 規(guī)范中的舾裝數(shù)計(jì)算相比較CCS鋼規(guī)參考性要強(qiáng),前者可以涵蓋特殊船型所有的正風(fēng)面積計(jì)算。

        (2)由于舾裝數(shù)公式的基礎(chǔ)未包含波浪影響,以本船特殊船型為例,在基于風(fēng)浪流聯(lián)合作用的碼頭下進(jìn)行系泊模式設(shè)計(jì)時(shí),纜繩的破斷力必須相應(yīng)提高,提高幅度可參考水動力仿真軟件進(jìn)行目標(biāo)工況下的計(jì)算評估,本船仿真后的纜繩最大值較舾裝數(shù)要求值約高出48%。

        (3)相同工況下,模型試驗(yàn)的纜繩張力最大值大幅高于仿真計(jì)算結(jié)果,尤其是長周期波影響下的纜繩張力;從科學(xué)性、準(zhǔn)確性角度考慮,特殊船型下的系泊能力建議通過水池模型試驗(yàn)進(jìn)行最終的驗(yàn)證及優(yōu)化。

        (4)從試驗(yàn)結(jié)果分析,傳統(tǒng)系統(tǒng)模式下的短纜最容易出現(xiàn)張力極值,引發(fā)系泊纜的斷裂,整體纜繩受力均勻性差,降低了系統(tǒng)的系泊能力。

        (5)從模型試驗(yàn)中對系泊模式的優(yōu)化方式及試驗(yàn)結(jié)果分析,取消短纜,調(diào)整纜繩的長度,使各纜繩的長度趨于相當(dāng),能夠顯著提高系泊能力和纜繩受力均勻性;缺陷在于短橫纜的缺失導(dǎo)致船體的橫蕩、橫搖運(yùn)動增大。

        (6)通過模型試驗(yàn)中對系泊模式的優(yōu)化及驗(yàn)證,最終明確了本船的系泊纜破斷負(fù)荷為97.85 t,碼頭系泊模式參照系泊模式3(見圖12)。按照試驗(yàn)結(jié)果,可以滿足風(fēng)25 m/s、浪高1.069 m(三一波高)、流速0.51 m/s 環(huán)境條件下的碼頭系泊,達(dá)到了3 級海況系泊的要求,為實(shí)船的碼頭系泊提供了有力的技術(shù)支撐。

        (7)基于短纜缺失造成的船體運(yùn)動幅值大的缺陷,本文認(rèn)為通過優(yōu)化碼頭系船柱布置,使船舶??繒r(shí)能夠拉出長橫纜,在提高整體系泊能力的同時(shí),可以解決船體運(yùn)動幅值大的問題。但該設(shè)想尚未驗(yàn)證,將在后續(xù)船的模型試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

        本船為設(shè)有邊島式上建和大型外飄舷臺的特殊船型,受風(fēng)載影響明顯,且停泊碼頭同時(shí)存在風(fēng)浪流三種環(huán)境載荷。本文通過開展理論初步設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算研究和模型試驗(yàn)研究,形成了科學(xué)合理的適用于本特殊船型系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,降低了因舾裝數(shù)忽略波浪影響而給系泊設(shè)計(jì)帶來的風(fēng)險(xiǎn),并為實(shí)船的碼頭系泊提供可信的試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)也可為其他特殊船型的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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