各種模態(tài)分析方法總結(jié)與比較

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1、各種模態(tài)分析方法總結(jié)與比較 一、模態(tài)分析 模態(tài)分析是計算或試驗分析固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型這些模態(tài)參 數(shù)的過程。 模態(tài)分析的理論經(jīng)典定義:將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理 坐標變換為模態(tài)坐標,使方程組解耦,成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描 述的獨立方程,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的變換矩陣為模態(tài)矩 陣,其每列為模態(tài)振型。 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程 振動領域中的應用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)具有特 定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析 取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是

2、 由有限元計算的方法取得的,則稱為計算模記分析;如果通過試驗將采集 的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù),稱為試驗模態(tài)分析。 通常,模態(tài)分析都是指試驗模態(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整 體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率 范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性,就可能預言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各 種振源作用下實際振動響應。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設計及設備的故 障診斷的重要方法。 模態(tài)分析最終目標是在識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特 性分析、振動故障診斷和預報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。 二、各模態(tài)分析方法的總結(jié) 一) 單自由度法 一般來

3、說,一個系統(tǒng)的動態(tài)響應是它的若干階模態(tài)振型的疊加。但是 如果假定在給定的頻帶內(nèi)只有一個模態(tài)是重要的,那么該模態(tài)的參數(shù)可以 單獨確定。以這個假定為根據(jù)的模態(tài)參數(shù)識別方法叫做單自由度(SDOF)法 nl。在給定的頻帶范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性的時域表達表示近似為: lhC)]=W} e冷Q {|/}T 2-1 r R R 而頻域表示則近似為: 旳6)]= Qr '仇 +Ur L LR 2-2 九丿 3 2 r 單自由度系統(tǒng)是一種很快速的方法,幾乎不需要什么計算時間和計算 機內(nèi)存。 這種單自由度的假定只有當系統(tǒng)的各階模態(tài)能夠很好解耦時才是正 確的。然而實際情況通常并不是這樣的,所以就需要用

4、包含若干模態(tài)的模 型對測得的數(shù)據(jù)進行近似,同時識別這些參數(shù)的模態(tài),就是所謂的多自由 度(MDOF)法。 單自由度算法運算速度很快,幾乎不需要什么計算和計算機內(nèi)存,因 此在當前小型二通道或四通道傅立葉分析儀中,都把這種方法做成內(nèi)置選 項。然而隨著計算機的發(fā)展,內(nèi)存不斷擴大,計算速度越來越快,在大多 數(shù)實際應用中,單自由度方法已經(jīng)讓位給更加復雜的多自由度方法。 1、峰值檢測 峰值檢測是一種單自由度方法,它是頻域中的模態(tài)模型為根據(jù)對系統(tǒng) 極點進行局部估計(固有頻率和阻尼)。峰值檢測方法基于這樣的事實:在 固有頻率附近,頻響函數(shù)通過自己的極值,此時其實部為零(同相部分最 小),而虛部和幅值最大(

5、相移達90°,幅度達峰值)圖1。出現(xiàn)極值的那 個固有頻率就是阻尼固有頻率①的良好估計。相應的阻尼比C ,的估計可 rr 用半功率點法得到。設①和①分處在阻尼固有頻率的兩側(cè)(w <① <①), 1 2 1 r 2 2-3 2-4 則: w -w —2 1 2w 2、模態(tài)檢測 模態(tài)檢測是根據(jù)頻域中的模態(tài)模型對復模態(tài)(或?qū)嵞B(tài))向量進行局 部估計的一種單自由度方法。在lhCw)L Q '〔轉(zhuǎn)+UrL lr中略去剩余 (jw-九丿 w 2 r 項則單個頻響函數(shù)在w處的值近似為: r 和(.) Q屮屮 Q屮屮 A H \jw U 丫 lr_jr u 一r_1r_jr =

6、 —j- 2P tj r (jw -&+ jw )) -G -G r r r r r 圓擬合是一種單自由度方法,用頻域中的模態(tài)模型對系統(tǒng)極點和復模 態(tài)(或?qū)嵞B(tài))向量進行局部估計。此方法依據(jù)事實是:單自由度系統(tǒng)的速 度頻響函數(shù)(速度對力)在奈奎斯特圖(即實部對虛部)上呈現(xiàn)為一個圓。如 果把其他模態(tài)的影響近似為一個復常數(shù),那么在共振頻率①附近,頻響函 r 數(shù)的基本公式為: H ( ◎)= tj 一①)+R+j1 r 2-6 因此,首先要選擇共振頻率附近的一組頻率響應點,通過這些點擬合 成一個圓。阻尼固有頻率①可以看成是復平面上數(shù)據(jù)點之間角度變化率最 r

7、 大(角間隔最大)的那個點的頻率,也可以看成是相位角與圓心的相位角最 為接近的那個數(shù)據(jù)點的頻率。對于分得開的模態(tài)而言,二者的差別是很小。 阻尼比匚估計如下: r ① tan r IT + tan 2-7 式中①,①:分居在①兩側(cè)的兩個頻率點: 1 2 r 9,e :分別為頻率點在①和①得半徑與①得半徑之間的夾角。 1 2 1 2 r 圓的直徑和阻尼固有頻率點的角位置含有復留數(shù)U+jV的信息: 2-8 帖 22 + V2 ,tan(x)= U V 式中0 :圓的直徑 a :園心與固有頻率點的連線跟虛軸之間的夾角. 圓擬合法速度也很快,但為避免結(jié)果出

8、錯,特別是在模態(tài)節(jié)點附近, 需要操作者參與。 二) 單自由度與多自由度系統(tǒng) 粘性阻尼單自由度SDOF系統(tǒng)如圖2的力平衡方程式表示慣性力、阻尼 力、彈性力與外力之間的平衡 圖2 單自由度系統(tǒng) 2-9 MX(t)+ CX C)+ KxC)= f C) 其中M:質(zhì)量C:阻尼K: xXx :加速度,速度,位移f:外力t時間變 量,把結(jié)構(gòu)中所呈現(xiàn)出來的全部阻尼都近似為一般的粘性阻尼。 把上面的時間域方程變換到拉氏域復變量P,并假設初始位移和初始 速度為零,則得到拉氏域方程:(wp 2 + Cp + K )= F (p ),或Z (p )X (p )= F (p ) Z:動剛

9、度經(jīng)過變換可得傳遞函數(shù)的定義,H(p)= Z-1(p)即X(p)= H(p)F(p) (p)= ,1/M , 、 p 2 + (C / M )p + (K / M ) 2-10 上式右端的分母叫做系統(tǒng)特征方程,它的根即是系統(tǒng)的極點是: 九=-(C / (2M ))±\;(C /(2M )》-(K / M ) 2T1 1,2 如果沒有阻尼C=0,則所論系統(tǒng)是保守系統(tǒng)。我們定義系統(tǒng)的無阻尼 固有頻率為: 珂=JK/M 2-4 臨界阻尼Cc的定義為使(2.3)式中根式項等于零的阻尼值: C = 2MJK / M 2-5 c 而臨界阻尼分數(shù)或阻尼比z 1為:Z]=CC

10、c,阻尼有時也有用品質(zhì)因數(shù) 即Q因數(shù)表示: Q = 1/(2%) 2-6 系統(tǒng)按阻尼值的大小可以分成過阻尼系統(tǒng)(Z ]>1)、臨界阻尼系統(tǒng)(Z ]=1)和欠阻尼系統(tǒng)(Z]<1)。過阻尼系統(tǒng)的響應只含有衰減成分、沒有振 蕩趨勢。欠阻尼系統(tǒng)的響應時一種衰減振動,而臨界阻尼系統(tǒng)則是過阻尼 系統(tǒng)與欠阻尼系統(tǒng)之間的一種分界。 實際系統(tǒng)的阻尼比很少有大于 10%的,除非這些系統(tǒng)含有很強的阻尼 機制,因此我們只研究欠阻尼的情形。 在欠阻尼的情況下式2- 1 1兩個共軛復根: 2-7 X* — j? 1 1 1 其中.1為阻尼因子? 1為阻尼固有頻率。有關系統(tǒng)極點的另外一些

11、關系式 有: X1 = c 1+九1—匚12 b C1 =—匚 *1 I Q = 2 +G 2 1 1 1 2-8 2-9 2-10 2-11 2-2 式寫成 如下形式: 2-12 在展開成部分分式形式,則有: 2-13 H(p)=算 + A*,這里 A 二 1/M p -九 p — X* 1 j 2? 這里的A和A*是留數(shù)。 11 多自由度系統(tǒng) 多自由度系統(tǒng)可以用簡單的力平衡代數(shù)方程演化成形式相似的一個 矩陣的方程。下面是以而自由度系統(tǒng)為例。如圖: 圖 3 多自由度系統(tǒng) 該系統(tǒng)的運動方程如下 M X +(C + C h C) m

12、 X +(C + C )X (t) 2 2 2 3 2 寫成矩陣形式是 —CX (t)+(K + K )x (t)— K x(t)=f (t) 2 2 1 2 —C X ? )+(K + K 2 1 2 3 2 (t )+(K + K )X C)— K X C)= f C) 2-14 M 0 1 0 M 2 C +C 12 —C 2 —C 2 C + C 23 K +K 12 —K 2 —K 2 K + K 23 2-15 或者[m KJ+ lc KJ+ [k f} 2-16 其中[M]、[C]、[K]、{f(t)}和{x

13、(t)}分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、 方向量和響應向量。把這個時間域的矩陣方程變換到拉氏域(變量為 p) 且假定初始位移和初始速度為零,則得: 2-17 2-18 (2 Im ]+ pb ]+ k I^x (p )L If (p)} 或者是 \z(p)阪(p)}=(F(p)} 式中:[Z(p)]動剛度矩陣 可以得到傳遞函數(shù)矩陣為: |ZCp^ 式中 adj dz (p )D: |Z (p)的伴隨矩陣,等于 Z ij :\z (p )]去掉第行第列后的行列式 j ; j 1 T如果i + j等于偶數(shù) £ = < j I-1 T如果i + j等于奇數(shù) ij

14、 Ih (p )LIz (p )11 二吋j(z 丿 傳遞函數(shù)矩陣含有幅值函數(shù)。 2-19式中的分母,即是Iz(p)]的韓烈士,叫做系統(tǒng)的特征方程。與單自 由度情況一樣,系統(tǒng)特征方程的根,即系統(tǒng)極點,決定系統(tǒng)的共振頻率。 根據(jù)特征值問題,可以求出系統(tǒng)特征方恒的根。為了把系統(tǒng)方程 2-17轉(zhuǎn)化 為一般的特征值問題公式,加入下面的恒等式 2-20 2-21 (ph ]- p\m DX }=£} 將此式與 2-17 式結(jié)合在一起得: (pLa]+[b DY }={f " 其中 如果力函數(shù)等于零,那么式2-19就成了關于實值矩陣的一般特征值問 題,其特征值

15、馬祖下列方程的 p 值: |pLa]+[b] = 0 2-22 它的根就是特征方程|Z(p) = 0的根。對于N各自由度系統(tǒng),此方程有 2N 個呈復共軛對出現(xiàn)的特征根: 「九 一 1 0 G + jO 1 1 0 九 G + jO N 九* 1 0 N N G _ jO 1 1 0 九* N G _ jO NN \ A \ 2-23 同單自由度系統(tǒng)一樣,多自由度系統(tǒng)的極點的實部Q是阻尼因子,虛 r 部①是阻尼固有頻率。 r 三)實模態(tài)和復模態(tài) 按照模態(tài)參數(shù)(主要指模態(tài)頻率及模態(tài)向量)是實數(shù)還是復數(shù),模態(tài) 可以

16、分為實模態(tài)和復模態(tài)。對于無阻尼或比例阻尼振動系統(tǒng),其各點的振 動相位差為零或 180 度,其模態(tài)系數(shù)是實數(shù),此時為實模態(tài);對于非比例 阻尼振動系統(tǒng),各點除了振幅不同外相位差也不一定為零或 180度,這樣 模態(tài)系數(shù)就是復數(shù),即形成復模態(tài)。 1 復模態(tài)與實模態(tài)理論 在擬合頻段,實模態(tài)理論中傳遞函數(shù)在 k 點激勵 Z 點響應的留數(shù)表達式 H (o)= X kl R kl e;0r 0 = _ arctan r (k, l = 1,2,…,n) (1) 其中, R 為留數(shù); r kl G和v構(gòu)成的復數(shù)為系統(tǒng)的復特征值九:九=_G + jv r r r r r r 擬

17、合頻段復模態(tài)理論中傳遞函數(shù)在 k 點激勵 f 點響應的留數(shù)表達式為 H(O)& r=1 r R eju 0 = _ arctan r R eja f r=1 2*G 2 + (y - CO r r _G ' r— 乂v r e j0 r (k, l = 1,…,n) 2) 由(1)、(2)式中可以看出,傳遞函數(shù)共振峰處復模態(tài)的相位與實模態(tài)相 位的差別在于多出的復留數(shù)相位a,由傳遞函數(shù)的逆變換可以得到脈沖響 r 應函數(shù),由此可以得到物理坐標系中結(jié)構(gòu)的自由響應表達式。 對于無阻尼結(jié)構(gòu),t時刻第r階模態(tài)k點的振動為 x =? Y sint + 0 )

18、 (3) kr kr r r r 粘性比例阻尼:t時刻第r階模態(tài)k點的振動為 x =? Yesint +0 ) (4) kr kr r dr r 一般粘性阻尼:t時刻第r階模態(tài)k點的振動為 x = 2T耳 e-b/Tcos t + 0 +y ) ⑸ kr r kr dr r kr 式中,ekr表示振型幅值;Q表示模態(tài)頻率;e表示相位角。 可以看出, 無阻尼和比例阻尼系統(tǒng)的初相位與初始條件有關,與物 理坐標無關,具有模態(tài)(振型)保持性;而一般粘性阻尼系統(tǒng)的初相位 還與物理坐標k有關,每個物理坐標振動時并不同時達到平衡位置和最 大位置,不具備模態(tài)保持性, 是行波形式.但各物理坐標

19、的相位差保持 不變, 各點的振動周期、 衰減率仍保持相同 J .從物理坐標點的自由 響應公式還可看出,即使各測點留數(shù)為復數(shù),但如果留數(shù)的相位差,即 振型的幅角相同, 那么還是可以得到振動周期內(nèi)形狀不變且節(jié)點固定的 振型.這樣模態(tài)雖是復模態(tài), 但表現(xiàn)出實模態(tài)的性質(zhì).因此實模態(tài)理論 的實振型與復模態(tài)理論中復模態(tài)的差別在于各測點峰值相位差的大?。? 2實模態(tài)提取方法 復模態(tài)理論中模態(tài)參數(shù)( 特征值和特征向量)均為復數(shù),在進行結(jié)構(gòu) 模型修正時大量采用復數(shù)矩陣和復數(shù)迭代運算,計算工作量大,效率低; 實模態(tài)理論中模態(tài)參數(shù)為實數(shù),物理概念明確,后續(xù)結(jié)構(gòu)模型修正計算公 式簡單,計算工作量小又節(jié)約空間,故實模

20、態(tài)得到廣泛的應用,實際測試 得到的傳遞函數(shù)留數(shù)一般都為復數(shù),要由復模態(tài)經(jīng)過實模態(tài)提取技術才能 得到實模態(tài)。復模態(tài)提取實模態(tài)的方法主要有:根據(jù)復模態(tài)的實部、虛部 或相位確定實模態(tài)的傳統(tǒng)方法;I b r a h i m的擴大模型法;C h e n 的傳遞函數(shù)提取法等。目前的模態(tài)分析軟件中普遍使用的為傳統(tǒng)方法。由 復模態(tài)實部或虛部獲得實模態(tài)向量的方法為:直接取復留數(shù)的實部或虛部 作為實模態(tài)理論中的留數(shù),進行規(guī)格化得到實模態(tài)振型. 由復模態(tài)相位獲得實模態(tài)向量的方法為: 取復留數(shù)的幅值作為實模 態(tài)理論中的留數(shù),根據(jù)sin °r)的數(shù)值接近1或T,將留數(shù)相位歸為90 ° 或-90 °,然后盡享振型規(guī)格化

21、,得到實模態(tài)振型,此振型中各測點相位 差即為0°或180°。用復模態(tài)理論獲得的復模態(tài)向量,由復振型的周期 變化中t=0即振動達到最大幅度時的振幅之比表示。 三、模態(tài)分析的應用與發(fā)展 模態(tài)分析技術的應用可歸結(jié)為以下幾個方面: 1) 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性; 2) 在新產(chǎn)品設計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計; 3) 診斷及預報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障; 4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲; 5) 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。 對于實際的工程,用有限元軟件分析需要的頻率段,可查找振動原因, 或校核。模態(tài)分析可以看出在那些頻率段需要防止或避免共振時很有用。 首先,頻率和振型是結(jié)構(gòu)的固有特性,任何結(jié)構(gòu)都可以

22、進行模態(tài)分析; 其次,結(jié)構(gòu)的功能是不同的,不同結(jié)構(gòu)對應的模態(tài)分析的用途是有差別的。 對建筑結(jié)構(gòu),模態(tài)分析可以知道結(jié)構(gòu)的避頻設計、用于抗震設計計算以及 考慮動力荷載的放大作用等。另外,還可以挖掘振型有關的信息。 機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際振動千姿百態(tài)、 瞬息變化。模態(tài)分析提供了研究各種實際結(jié)構(gòu)振動的一條有效途徑。 首先,將結(jié)構(gòu)物在靜止狀態(tài)下進行人為激振,通過測量激振力與胯動 響應并進行雙通道快速傅里葉變換(FFT)分析,得到任意兩點之間的機 械導納函數(shù)(傳遞函數(shù))。用模態(tài)分析理論通過對試驗導納函數(shù)的曲線擬 合,識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù),從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)

23、 疊加原理,在已知各種載荷時間歷程的情況下,就可以預言結(jié)構(gòu)物的實際 振動的響應歷程或響應譜。 模態(tài)分析軟件以美國的ME' ScopeVES的功能最為全面。ME' ScopeVES 軟件的功能包括信號處理(signal Process ing)、運行撓曲振型 (OperatingDeflection Shapes)、模態(tài)分析(Modal Analysi s)、結(jié)構(gòu)改 正(SDM)和聲學分析(Acous tics Analysi S)等,解決和分析機器與結(jié)構(gòu)的 振動噪聲問題。 主要可用于: 1、 可以顯示被測物體的實際工作形態(tài)(0DS)、模態(tài)、聲學分布形態(tài)和 工程數(shù)據(jù)的形態(tài)等; 2、 模塊

24、化結(jié)構(gòu)便于用戶根據(jù)自己的需要選擇合適的產(chǎn)品; 3、 強大的圖形顯示、結(jié)構(gòu)編輯、數(shù)據(jù)處理及動畫顯示功能; 4、軟件的開放性好,能夠與全球的多家廠商的硬件兼容; 5、主要應用的領域:航空航天、建筑橋梁、汽車制造、鋼鐵冶金、 軍工裝備等。 模態(tài)分析與參數(shù)辨識作為結(jié)構(gòu)動力學中的一種逆問題分析方法并在 工程實踐中應用是從 60年代中、后期開始,至今已有近四十年的歷史了。 這一技術首先在航空、宇航及汽車工業(yè)中開始發(fā)展。由于電子技術、信號 處理技術與設備的發(fā)展,到 80年代末這項技術已成為工程中解決結(jié)構(gòu)動 態(tài)性能分析、振動與噪聲控制、故障診斷等問題的重要工具。目前這一技 術已漸趨成熟。經(jīng)過二十余年的

25、研究發(fā)展,到目前為止模態(tài)分析技術已在 我國各個工程領域中廣泛應用,成為一種解決工程問題的重要手段。 在工程應用方面模態(tài)分析已滲透到我國各個工程領域,并取得了不少 成就。例如,某型火箭全裝置的實物模態(tài)試驗保證了火箭的準確發(fā)射與導 航,防止了發(fā)射的失??;模態(tài)分析與參數(shù)識別技術曾被成功地用于解決某 型航空發(fā)動機的嚴重振動故障,取得重大經(jīng)濟及社會效益;某型魚雷全裝 置實物水下模態(tài)試驗為魚雷的振動與噪聲控制確保導航性能提供了技術 依據(jù);遠東第一高塔的上海東方明珠電視塔的振動模態(tài)試驗,為高塔的抗 風抗地震安全性設計提供了技術依據(jù);目前世界上跨度第一的斜拉索楊浦 大橋的振動試驗對大橋抗風振動的安全性分析與

26、故障診斷提供了技術依 據(jù);建立在模態(tài)分析技術上的樁基斷裂檢測技術已在高層建筑施工中廣泛 應用,提高了樁基的質(zhì)量,確保高層建筑的安全;……等等,這些成就不 勝枚舉??傊?,二十余年的發(fā)展是迅速的,成就是顯著的,回顧這一發(fā)展 過程和取得的成就,可更激勵我們朝著新的目標奮發(fā)前進。 模態(tài)分析技術發(fā)展到今天已趨成熟,特別是線性模態(tài)理論方面的研究 已日臻完善,但在工程應用方面還有不少工作可做。首先是如何提高模態(tài) 分析的精度,擴大應用范圍。增加模態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關 鍵,單靠增加傳感器的測點數(shù)目很難實現(xiàn),目前提出的一種激光掃描方法 是大大增加測點數(shù)的有效辦法,測點數(shù)目的增加隨之而來的是增大數(shù)據(jù)采

27、 集與分析系統(tǒng)的容量及提高分析處理速度,在測試方法、數(shù)據(jù)采集與分析 方面還有不少研究工作可做。對復雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測量分析、頻響函數(shù) 的耦合、高頻模態(tài)檢測、抗噪聲干擾……等等方面的研究尚需進一步開展。 模態(tài)分析當前的一個重要發(fā)展趨勢是由線性向非線性問題方向發(fā)展。 非線性模態(tài)的概念早在I960年就由Rosenberg提出,雖有不少學者對非線 性模態(tài)理論進行了研究,但由于非線性問題本身的復雜性及當時工程實踐 中的非線性問題并引引起重視,非線性模態(tài)分析的發(fā)展受到限制。近年來 在工程中的非線性問題日益突出,因此非線性模態(tài)分析亦日益受到人們的 重視。最近已逐步形成了所謂非線性模態(tài)動力學。 關于非線性模態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問 題是當前研究的重點。在非線性建模理論與參數(shù)辨識方面的研究工作亦是 當今研究的熱點。非線性系統(tǒng)物理參數(shù)的識別、載荷識別方面的研究亦已 開始。展望未來,模態(tài)分析與試驗技術仍將以新的速度,新的內(nèi)容向前發(fā) 展。 姓名:徐海濱 學號:

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