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基于UG NX6.0和ANSYS Workbench的電解鋁靜置爐開口鉆機底板強度分析

2014-09-26 15:39:36袁媛
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年29期
關(guān)鍵詞:有限元變形分析

摘 要:電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設(shè)備,其主要支撐部件底板的強度直接關(guān)系著整個設(shè)備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學(xué)方法對底板的靜態(tài)工況進行分析,得出底板強度分析結(jié)論,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞:鉆機底板;UG NX6.0;ANSYS Workbench;有限元分析;強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口,讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中,待若干的模型與分析軟件能夠資源共享,兼容度比較高。結(jié)合底板自身模型的特點,采用后者創(chuàng)建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創(chuàng)建,同時UG6.0創(chuàng)立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對接,這為創(chuàng)建準確的有限模型提供了條件,同時又提高了模型創(chuàng)建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步,即二者可以互相刷新,協(xié)87同建模,但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統(tǒng)中去。如果發(fā)現(xiàn)在Workbench12.0中模型需要修改,只需在UG6.0中做以改進,然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據(jù)如圖1所示底板零件圖,在UG NX6.0中創(chuàng)建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型(模型的轉(zhuǎn)換)

三維軟件與分析軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的格式很多種,但是往往采用第三種格式,如IGES格式。該格式轉(zhuǎn)換到分析軟件中,兼容性極差,影響到分析結(jié)果的準確性。而該模型的轉(zhuǎn)化不采用第三種格式,UG6.0和Workbench12.0直接連接,確保模型不失真,Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中,確保三維模型的數(shù)據(jù)實時更新,如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數(shù)據(jù)連接

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的準確性,所以建立一個既能滿足要求又經(jīng)濟的網(wǎng)格是十分有必要的。網(wǎng)格的劃分不在于盲目的追求網(wǎng)格的細化,密度過密直接影響到模型的經(jīng)濟性,無形中增加了計算的難度。當然網(wǎng)格不能太大,網(wǎng)格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求,劃分網(wǎng)格無法進行;同時尺寸太大分析的結(jié)果誤差太大,失真。網(wǎng)格太小,節(jié)點數(shù)在幾百萬以上,計算時間過長,效率低。

底板主要是由板件形狀組成,為了確保網(wǎng)格的質(zhì)量,該模型采用的四面體網(wǎng)格單元,并限制了網(wǎng)格的大小,對底板的主題單元格的尺寸為10mm,整個底板網(wǎng)格化模型如圖4所示。網(wǎng)格單元數(shù)為86493個,節(jié)點的個數(shù)為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數(shù)的設(shè)定

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

模型的材料為Q295A冷軋結(jié)構(gòu)鋼(Structural steel),對于材料的參數(shù)主要有三個:彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數(shù)的具體設(shè)置如圖5所示。

1.4 底板結(jié)構(gòu)強度分析

針對電機所處位置(最左端和最有段)的兩種靜態(tài)工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

(1)有限元模型建立

將UG6.0的模型轉(zhuǎn)化到Workbench12.0軟件中的數(shù)據(jù)入口。在轉(zhuǎn)化的過程中,要求模型不能失真,并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經(jīng)過對底板的受力分析發(fā)現(xiàn),底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環(huán)受力的,真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性,在模型兩個U形槽中增加一個實體軸,如圖4所示。

實際模型中,回轉(zhuǎn)軸與U形槽是旋轉(zhuǎn)幅連接,故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉(zhuǎn)幅,突臺與底板主體采用捆綁連接方式,與縫焊相似。

(2)約束和載荷的施加

具體設(shè)定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度,圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐,圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷,質(zhì)量定義為60Kg,經(jīng)過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引,平衡塊重64KG,重力為640N。繩子與底板的夾角為61°,經(jīng)過受力分解,繩子對底板垂直向上牽引力為560N,水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

(3)求解

因為是靜力分析,時間參數(shù)就沒有必要設(shè)定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,然后求解。具體結(jié)果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察,圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應(yīng)力云圖

(4)結(jié)果分析

圖中最大變形量為0.00061085m,約0.61mm,方向朝下。最大應(yīng)力值如圖8標示所示,最大值為3.984e7Pa,即39.84MPa。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設(shè)置與第一種工況基本相同,只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端,求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,具體結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應(yīng)力云圖

最大變形量0.00066m,即 0.66mm,方向朝下。底板應(yīng)力最大值為4.6463e7Pa,即46.46MPa,最大應(yīng)力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。

2 結(jié)束語

通過科學(xué)的分析手段對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,意義在于尋找一條行之有效的分析方法,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐;創(chuàng)建真實的三維幾何實體模型,建立符合要求的有限元模型,為正確分析提供必要的前提;通過對底板進行強度分析,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設(shè)計師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2]王瑞,陳海霞,王廣峰.ANSYS有限元網(wǎng)格劃分淺析[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,21(4):2-4.

[3]查太東,楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械,2012,33(2):28-30.

[4]凌桂龍,丁金濱,溫正.ANSYS WorkBenchl3. 0從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社,2012.

[5]陸爽,孫明禮,丁金福,等.ANSYS Workbench 13有限元分析從入門到精通[M].機械工業(yè)出版社,2012.

作者簡介:袁媛(1983-),女,河北張家口人,講師,主要從事機械制造專業(yè)的教學(xué)與研究。endprint

摘 要:電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設(shè)備,其主要支撐部件底板的強度直接關(guān)系著整個設(shè)備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學(xué)方法對底板的靜態(tài)工況進行分析,得出底板強度分析結(jié)論,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞:鉆機底板;UG NX6.0;ANSYS Workbench;有限元分析;強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口,讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中,待若干的模型與分析軟件能夠資源共享,兼容度比較高。結(jié)合底板自身模型的特點,采用后者創(chuàng)建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創(chuàng)建,同時UG6.0創(chuàng)立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對接,這為創(chuàng)建準確的有限模型提供了條件,同時又提高了模型創(chuàng)建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步,即二者可以互相刷新,協(xié)87同建模,但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統(tǒng)中去。如果發(fā)現(xiàn)在Workbench12.0中模型需要修改,只需在UG6.0中做以改進,然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據(jù)如圖1所示底板零件圖,在UG NX6.0中創(chuàng)建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型(模型的轉(zhuǎn)換)

三維軟件與分析軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的格式很多種,但是往往采用第三種格式,如IGES格式。該格式轉(zhuǎn)換到分析軟件中,兼容性極差,影響到分析結(jié)果的準確性。而該模型的轉(zhuǎn)化不采用第三種格式,UG6.0和Workbench12.0直接連接,確保模型不失真,Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中,確保三維模型的數(shù)據(jù)實時更新,如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數(shù)據(jù)連接

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的準確性,所以建立一個既能滿足要求又經(jīng)濟的網(wǎng)格是十分有必要的。網(wǎng)格的劃分不在于盲目的追求網(wǎng)格的細化,密度過密直接影響到模型的經(jīng)濟性,無形中增加了計算的難度。當然網(wǎng)格不能太大,網(wǎng)格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求,劃分網(wǎng)格無法進行;同時尺寸太大分析的結(jié)果誤差太大,失真。網(wǎng)格太小,節(jié)點數(shù)在幾百萬以上,計算時間過長,效率低。

底板主要是由板件形狀組成,為了確保網(wǎng)格的質(zhì)量,該模型采用的四面體網(wǎng)格單元,并限制了網(wǎng)格的大小,對底板的主題單元格的尺寸為10mm,整個底板網(wǎng)格化模型如圖4所示。網(wǎng)格單元數(shù)為86493個,節(jié)點的個數(shù)為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數(shù)的設(shè)定

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

模型的材料為Q295A冷軋結(jié)構(gòu)鋼(Structural steel),對于材料的參數(shù)主要有三個:彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數(shù)的具體設(shè)置如圖5所示。

1.4 底板結(jié)構(gòu)強度分析

針對電機所處位置(最左端和最有段)的兩種靜態(tài)工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

(1)有限元模型建立

將UG6.0的模型轉(zhuǎn)化到Workbench12.0軟件中的數(shù)據(jù)入口。在轉(zhuǎn)化的過程中,要求模型不能失真,并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經(jīng)過對底板的受力分析發(fā)現(xiàn),底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環(huán)受力的,真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性,在模型兩個U形槽中增加一個實體軸,如圖4所示。

實際模型中,回轉(zhuǎn)軸與U形槽是旋轉(zhuǎn)幅連接,故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉(zhuǎn)幅,突臺與底板主體采用捆綁連接方式,與縫焊相似。

(2)約束和載荷的施加

具體設(shè)定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度,圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐,圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷,質(zhì)量定義為60Kg,經(jīng)過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引,平衡塊重64KG,重力為640N。繩子與底板的夾角為61°,經(jīng)過受力分解,繩子對底板垂直向上牽引力為560N,水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

(3)求解

因為是靜力分析,時間參數(shù)就沒有必要設(shè)定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,然后求解。具體結(jié)果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察,圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應(yīng)力云圖

(4)結(jié)果分析

圖中最大變形量為0.00061085m,約0.61mm,方向朝下。最大應(yīng)力值如圖8標示所示,最大值為3.984e7Pa,即39.84MPa。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設(shè)置與第一種工況基本相同,只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端,求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,具體結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應(yīng)力云圖

最大變形量0.00066m,即 0.66mm,方向朝下。底板應(yīng)力最大值為4.6463e7Pa,即46.46MPa,最大應(yīng)力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。

2 結(jié)束語

通過科學(xué)的分析手段對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,意義在于尋找一條行之有效的分析方法,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐;創(chuàng)建真實的三維幾何實體模型,建立符合要求的有限元模型,為正確分析提供必要的前提;通過對底板進行強度分析,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設(shè)計師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2]王瑞,陳海霞,王廣峰.ANSYS有限元網(wǎng)格劃分淺析[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,21(4):2-4.

[3]查太東,楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械,2012,33(2):28-30.

[4]凌桂龍,丁金濱,溫正.ANSYS WorkBenchl3. 0從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社,2012.

[5]陸爽,孫明禮,丁金福,等.ANSYS Workbench 13有限元分析從入門到精通[M].機械工業(yè)出版社,2012.

作者簡介:袁媛(1983-),女,河北張家口人,講師,主要從事機械制造專業(yè)的教學(xué)與研究。endprint

摘 要:電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設(shè)備,其主要支撐部件底板的強度直接關(guān)系著整個設(shè)備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學(xué)方法對底板的靜態(tài)工況進行分析,得出底板強度分析結(jié)論,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞:鉆機底板;UG NX6.0;ANSYS Workbench;有限元分析;強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口,讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中,待若干的模型與分析軟件能夠資源共享,兼容度比較高。結(jié)合底板自身模型的特點,采用后者創(chuàng)建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創(chuàng)建,同時UG6.0創(chuàng)立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對接,這為創(chuàng)建準確的有限模型提供了條件,同時又提高了模型創(chuàng)建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步,即二者可以互相刷新,協(xié)87同建模,但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統(tǒng)中去。如果發(fā)現(xiàn)在Workbench12.0中模型需要修改,只需在UG6.0中做以改進,然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據(jù)如圖1所示底板零件圖,在UG NX6.0中創(chuàng)建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型(模型的轉(zhuǎn)換)

三維軟件與分析軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的格式很多種,但是往往采用第三種格式,如IGES格式。該格式轉(zhuǎn)換到分析軟件中,兼容性極差,影響到分析結(jié)果的準確性。而該模型的轉(zhuǎn)化不采用第三種格式,UG6.0和Workbench12.0直接連接,確保模型不失真,Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中,確保三維模型的數(shù)據(jù)實時更新,如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數(shù)據(jù)連接

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的準確性,所以建立一個既能滿足要求又經(jīng)濟的網(wǎng)格是十分有必要的。網(wǎng)格的劃分不在于盲目的追求網(wǎng)格的細化,密度過密直接影響到模型的經(jīng)濟性,無形中增加了計算的難度。當然網(wǎng)格不能太大,網(wǎng)格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求,劃分網(wǎng)格無法進行;同時尺寸太大分析的結(jié)果誤差太大,失真。網(wǎng)格太小,節(jié)點數(shù)在幾百萬以上,計算時間過長,效率低。

底板主要是由板件形狀組成,為了確保網(wǎng)格的質(zhì)量,該模型采用的四面體網(wǎng)格單元,并限制了網(wǎng)格的大小,對底板的主題單元格的尺寸為10mm,整個底板網(wǎng)格化模型如圖4所示。網(wǎng)格單元數(shù)為86493個,節(jié)點的個數(shù)為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數(shù)的設(shè)定

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

模型的材料為Q295A冷軋結(jié)構(gòu)鋼(Structural steel),對于材料的參數(shù)主要有三個:彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數(shù)的具體設(shè)置如圖5所示。

1.4 底板結(jié)構(gòu)強度分析

針對電機所處位置(最左端和最有段)的兩種靜態(tài)工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

(1)有限元模型建立

將UG6.0的模型轉(zhuǎn)化到Workbench12.0軟件中的數(shù)據(jù)入口。在轉(zhuǎn)化的過程中,要求模型不能失真,并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經(jīng)過對底板的受力分析發(fā)現(xiàn),底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環(huán)受力的,真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性,在模型兩個U形槽中增加一個實體軸,如圖4所示。

實際模型中,回轉(zhuǎn)軸與U形槽是旋轉(zhuǎn)幅連接,故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉(zhuǎn)幅,突臺與底板主體采用捆綁連接方式,與縫焊相似。

(2)約束和載荷的施加

具體設(shè)定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度,圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐,圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷,質(zhì)量定義為60Kg,經(jīng)過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引,平衡塊重64KG,重力為640N。繩子與底板的夾角為61°,經(jīng)過受力分解,繩子對底板垂直向上牽引力為560N,水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

(3)求解

因為是靜力分析,時間參數(shù)就沒有必要設(shè)定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,然后求解。具體結(jié)果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察,圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應(yīng)力云圖

(4)結(jié)果分析

圖中最大變形量為0.00061085m,約0.61mm,方向朝下。最大應(yīng)力值如圖8標示所示,最大值為3.984e7Pa,即39.84MPa。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設(shè)置與第一種工況基本相同,只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端,求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖,具體結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應(yīng)力云圖

最大變形量0.00066m,即 0.66mm,方向朝下。底板應(yīng)力最大值為4.6463e7Pa,即46.46MPa,最大應(yīng)力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A,屈服強度為295MPa,底板所受的最大應(yīng)力遠小于屈服強度極限值。

2 結(jié)束語

通過科學(xué)的分析手段對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,意義在于尋找一條行之有效的分析方法,為生產(chǎn)實踐提供可靠的理論支撐;創(chuàng)建真實的三維幾何實體模型,建立符合要求的有限元模型,為正確分析提供必要的前提;通過對底板進行強度分析,為后續(xù)對底板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化做準備,提高底板的利用率;為現(xiàn)場提供優(yōu)化方案,提供工廠生產(chǎn)效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設(shè)計師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2]王瑞,陳海霞,王廣峰.ANSYS有限元網(wǎng)格劃分淺析[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,21(4):2-4.

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作者簡介:袁媛(1983-),女,河北張家口人,講師,主要從事機械制造專業(yè)的教學(xué)與研究。endprint

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