工程力學(xué)教學(xué)課件 桿件的基本變性學(xué)習(xí)課件 講義教案
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1、第二單元第二單元 桿件的基本變形桿件的基本變形1構(gòu)件構(gòu)件 類型類型索索梁梁軸軸2構(gòu)件材料構(gòu)件材料連續(xù)、均勻、各連續(xù)、均勻、各向同性。向同性。3構(gòu)件變形構(gòu)件變形小變形小變形認(rèn)識工程中的桿類構(gòu)件認(rèn)識工程中的桿類構(gòu)件4桿類構(gòu)件的基本變形形式桿類構(gòu)件的基本變形形式軸向軸向拉伸拉伸壓縮壓縮剪切變形剪切變形扭轉(zhuǎn)變形扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形彎曲變形第六章第六章 桿類構(gòu)件的內(nèi)力桿類構(gòu)件的內(nèi)力1內(nèi)力的概念內(nèi)力的概念由于桿件變形所產(chǎn)生的附加內(nèi)力。由于桿件變形所產(chǎn)生的附加內(nèi)力。外力外力的概念的概念促使桿件發(fā)生變形。促使桿件發(fā)生變形。2研究內(nèi)力方法研究內(nèi)力方法截面法截面法內(nèi)力顯示出來內(nèi)力顯示出來3求解內(nèi)力的一般方法求解內(nèi)力的
2、一般方法(1)沿欲求截面,將構(gòu)件一分為二。)沿欲求截面,將構(gòu)件一分為二。(2)留取一部分為研究對象,畫出受力圖。)留取一部分為研究對象,畫出受力圖。(3)建立平衡方程,確定內(nèi)力)建立平衡方程,確定內(nèi)力大小大小和和性質(zhì)性質(zhì)。4關(guān)鍵問題之一關(guān)鍵問題之一截面位置選取截面位置選取內(nèi)力分布規(guī)律內(nèi)力分布規(guī)律(1)集中力作用點之間,內(nèi)力連續(xù)分布,截面任意選取)集中力作用點之間,內(nèi)力連續(xù)分布,截面任意選?。?)集中力作用點鄰近,內(nèi)力突變,截面在突變處選取)集中力作用點鄰近,內(nèi)力突變,截面在突變處選取第二節(jié)第二節(jié) 軸向拉伸和壓縮桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖軸向拉伸和壓縮桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖(1)拉壓桿的內(nèi)力)拉壓桿的內(nèi)力軸
3、力軸力FN(2)軸力)軸力FN的變形效果的變形效果拉伸和壓縮拉伸和壓縮(3)如果如果FN為正,表示拉伸。否則表示壓縮。為正,表示拉伸。否則表示壓縮。桿件軸力的計算步驟桿件軸力的計算步驟FNxN( )0BCFxFF0 xF N( )35kNFx 桿件軸力的計算步驟桿件軸力的計算步驟FNx0 xF N( )0CFxFN( )20kNFx 軸力為壓縮軸力為壓縮3計算軸力的方法計算軸力的方法(1)沿欲求截面,將構(gòu)件一分為為二。)沿欲求截面,將構(gòu)件一分為為二。(2)留取一部分為研究對象,畫出受力圖)留取一部分為研究對象,畫出受力圖畫出全部外力,在截面假設(shè)軸力的方向畫出全部外力,在截面假設(shè)軸力的方向。(3
4、)建立平衡方程,計算內(nèi)力)建立平衡方程,計算內(nèi)力大小大小 確定確定拉壓性質(zhì)拉壓性質(zhì)。如果軸力結(jié)果為正,表示。如果軸力結(jié)果為正,表示假設(shè)的方向正確。假設(shè)的方向正確。桿件軸力圖桿件軸力圖xFN軸力拉伸軸力拉伸軸力壓縮軸力壓縮等截面等截面立柱立柱受重力和頂端壓力的軸力和軸力圖受重力和頂端壓力的軸力和軸力圖xxFN(x)xFN軸力壓縮軸力壓縮第三節(jié)第三節(jié) 受扭桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖受扭桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖1傳動軸兩端的外力偶傳動軸兩端的外力偶Me Me Me PkWnr/min Me=9549P/n (N.m)F1F2rMe=(F1-F2)re ee eMMMMdtddtrdFFdtdW)(21P Pe e
5、MM2扭轉(zhuǎn)內(nèi)力扭轉(zhuǎn)內(nèi)力扭矩扭矩T _N.M MeMeMeTMeMeMeT3扭矩扭矩T的變形效果的變形效果縱線縱線繞截面繞截面外法線外法線逆逆旋或旋或順順旋旋4規(guī)定:規(guī)定:縱線縱線繞截面繞截面外法線外法線逆逆旋為正,旋為正,順順旋為負(fù)。旋為負(fù)。逆時針旋轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)順時針旋轉(zhuǎn)順時針旋轉(zhuǎn)受扭桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖的計算方法受扭桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖的計算方法N.m350DBACMMMM1171.3N.M471.2N.M350N.M350.1N.M1171.3N.M471.2N.M350N.M350.1N.MTBCX縱線順時針縱線順時針旋旋TCA縱線順時針旋縱線順時針旋1171.3N.M471.2N.M350
6、N.M350.1N.M350.1NM700.1NM471.2NMxT/NM縱線順時針旋縱線順時針旋縱線逆時針旋縱線逆時針旋受分布扭力偶時,扭轉(zhuǎn)桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖受分布扭力偶時,扭轉(zhuǎn)桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖xT本題在本題在P146,7-14,作業(yè)。,作業(yè)。第四節(jié),受彎桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖第四節(jié),受彎桿件的內(nèi)力和內(nèi)力圖1平面彎曲的概念平面彎曲的概念外力在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)外力在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)橫截面橫截面對稱軸對稱軸縱向?qū)ΨQ面縱向?qū)ΨQ面梁的軸線梁的軸線外力在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)外力在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)2彎曲內(nèi)力彎曲內(nèi)力彎矩彎矩M和剪力和剪力FSF xFFAyOFSMOFByABFSM3彎矩彎矩M變形及正負(fù)變形及正負(fù)4剪力剪力FS
7、變形及正負(fù)變形及正負(fù)M為正為正M為負(fù)為負(fù)FS為正為正FS為負(fù)為負(fù)5計算內(nèi)力的方法計算內(nèi)力的方法FAyFSMxyx0計算梁截面內(nèi)力的方法和步驟:計算梁截面內(nèi)力的方法和步驟:1 1在間斷面之間選取截面,將梁一分為二在間斷面之間選取截面,將梁一分為二2 2選取一段為分離體、畫出受力圖選取一段為分離體、畫出受力圖在斷面處,假設(shè)正的剪力和彎矩在斷面處,假設(shè)正的剪力和彎矩3 3建立分離體的平衡方程,求解,確定彎矩建立分離體的平衡方程,求解,確定彎矩和剪力的變形性質(zhì)。和剪力的變形性質(zhì)。5計算內(nèi)力的方法計算內(nèi)力的方法FAyFSMxyx0)()(,)(4-04-0MxFxFMMxFxFFAyAyO)(,AySS
8、AYyFFFFFF00F計算梁截面內(nèi)力的方法和步驟:計算梁截面內(nèi)力的方法和步驟:1 1在間斷面之間選取截面,將梁一分為二在間斷面之間選取截面,將梁一分為二2 2選取一段為分離體、畫出受力圖選取一段為分離體、畫出受力圖在斷面處,假設(shè)正的剪力和彎矩在斷面處,假設(shè)正的剪力和彎矩3 3建立分離體的平衡方程,求解,確定彎矩建立分離體的平衡方程,求解,確定彎矩和剪力的變形性質(zhì)。和剪力的變形性質(zhì)。6如何作內(nèi)力圖如何作內(nèi)力圖AySFF xFMAyFxFFMAy4)()(AySFFFxFSxM7關(guān)于內(nèi)力正、負(fù)的辨析關(guān)于內(nèi)力正、負(fù)的辨析微段定義內(nèi)力微段定義內(nèi)力MeMeTTMeTTMeTT關(guān)于內(nèi)力正、負(fù)的辨析關(guān)于內(nèi)
9、力正、負(fù)的辨析1一個變形一個變形=一對內(nèi)力,缺一不可。一對內(nèi)力,缺一不可。2截面法只看到一個內(nèi)力,另一個隱藏。截面法只看到一個內(nèi)力,另一個隱藏。3變形有正、負(fù)變形有正、負(fù)=內(nèi)力有正、負(fù),判據(jù)一個。內(nèi)力有正、負(fù),判據(jù)一個。4沿軸變形(拉、壓)沿軸變形(拉、壓)和和繞軸變形(扭轉(zhuǎn))繞軸變形(扭轉(zhuǎn))的正、的正、負(fù)由微段的外法線決定,一致者為正,相反者為負(fù)由微段的外法線決定,一致者為正,相反者為負(fù)。負(fù)。5斜交軸的變形(彎曲)斜交軸的變形(彎曲)正、負(fù)由伸長區(qū)和壓縮正、負(fù)由伸長區(qū)和壓縮區(qū)位置決定。上縮下伸為正。區(qū)位置決定。上縮下伸為正。6垂直交軸變形(剪切)垂直交軸變形(剪切)正、負(fù)由微段偏轉(zhuǎn)方向正、負(fù)
10、由微段偏轉(zhuǎn)方向決定。順時針偏轉(zhuǎn)為正。決定。順時針偏轉(zhuǎn)為正。第七章第七章 桿件應(yīng)力分析與強(qiáng)度計算桿件應(yīng)力分析與強(qiáng)度計算1內(nèi)力是桿件橫截面上分布力系的內(nèi)力是桿件橫截面上分布力系的合力合力N2應(yīng)力是桿件橫截面上內(nèi)力分布的集度。應(yīng)力是桿件橫截面上內(nèi)力分布的集度。N/m23橫截面上某點的應(yīng)力的定義及其分量橫截面上某點的應(yīng)力的定義及其分量MAFMp4幾點說明幾點說明(1)應(yīng)力是極限值,是點力。)應(yīng)力是極限值,是點力。(2)某一點在某一截面的應(yīng)力是矢量。)某一點在某一截面的應(yīng)力是矢量。(3)應(yīng)力分量正、負(fù))應(yīng)力分量正、負(fù)=相應(yīng)的內(nèi)力正、負(fù)相應(yīng)的內(nèi)力正、負(fù)(4)應(yīng)力單位)應(yīng)力單位 N/m2=Pa,太小,一般用
11、太小,一般用MPa和和GPaMp22p第二節(jié)第二節(jié) 軸向拉伸與壓縮桿件的應(yīng)力和強(qiáng)度條件軸向拉伸與壓縮桿件的應(yīng)力和強(qiáng)度條件1拉(壓)桿橫截面上的應(yīng)力拉(壓)桿橫截面上的應(yīng)力根據(jù)桿件變形根據(jù)桿件變形=應(yīng)力分布規(guī)律應(yīng)力分布規(guī)律1 1橫截面保持平面橫截面保持平面=無切應(yīng)力,只有正應(yīng)力無切應(yīng)力,只有正應(yīng)力2 2平面垂直軸線平面垂直軸線=每一點伸長(壓縮)相等每一點伸長(壓縮)相等=正應(yīng)力均勻分布3拉壓桿=纖維束模型ANdAFAFN2拉(壓)桿斜截面上的應(yīng)力拉(壓)桿斜截面上的應(yīng)力coscoscos/AFAFpNN2coscos p221sinsin p2斜截面外法線夾角正、負(fù)規(guī)定斜截面外法線夾角正、負(fù)規(guī)
12、定為正為正3斜截面最大應(yīng)力對于拉伸和壓縮斷裂的意義斜截面最大應(yīng)力對于拉伸和壓縮斷裂的意義4拉壓桿強(qiáng)度計算拉壓桿強(qiáng)度計算拉壓桿正常工作時的強(qiáng)度條件拉壓桿正常工作時的強(qiáng)度條件工作應(yīng)力工作應(yīng)力許用應(yīng)力許用應(yīng)力1 1強(qiáng)度校核強(qiáng)度校核構(gòu)件是否失效?構(gòu)件是否失效?2 2截面設(shè)計截面設(shè)計截面是否足夠大?截面是否足夠大?3 3載荷設(shè)計載荷設(shè)計確定最大載荷?確定最大載荷?工作應(yīng)力工作應(yīng)力第三節(jié)第三節(jié) 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能低碳鋼低碳鋼鑄鐵鑄鐵力學(xué)性能力學(xué)性能材料在外力作用下表現(xiàn)出的材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞特性。變形和破壞特性。力學(xué)性能測試力學(xué)性能測試常溫、靜載拉伸和壓縮試驗。常溫、靜載拉伸和壓縮
13、試驗。1 低碳鋼拉伸力學(xué)性能低碳鋼拉伸力學(xué)性能AFll彈彈性性階階段段比例極限比例極限p彈性極限彈性極限e屈服極限屈服極限s強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限b屈屈服服階階段段強(qiáng)強(qiáng)化化階階段段局局部部變變形形階階段段材料塑性指標(biāo)材料塑性指標(biāo)截面收縮率截面收縮率2030%&延伸率延伸率5% 塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變AFll比例極限比例極限p彈性極限彈性極限e屈服極限屈服極限s強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限bpe3 冷作硬化冷作硬化2 其他塑性材料拉伸力學(xué)性能其他塑性材料拉伸力學(xué)性能3 鑄鐵拉伸力學(xué)性能鑄鐵拉伸力學(xué)性能二、材料壓縮時的力學(xué)性能二、材料壓縮時的力學(xué)性能第四節(jié)第四節(jié) 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 1原因:截面突變原因:截面突變 2特點:
14、范圍小、程度高特點:范圍小、程度高 拉、壓桿應(yīng)力集中拉、壓桿應(yīng)力集中BdbAm)( mKmaxbd 應(yīng)力集中對于脆性材料構(gòu)應(yīng)力集中對于脆性材料構(gòu)件更加危險。件更加危險。第五節(jié)第五節(jié) 圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力.強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件 1低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實驗低碳鋼的扭轉(zhuǎn)實驗 2低碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞低碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞 3鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞鑄鐵鑄鐵低碳鋼低碳鋼切應(yīng)力切應(yīng)力0、圓軸橫截面的應(yīng)力及其分布規(guī)律、圓軸橫截面的應(yīng)力及其分布規(guī)律1圓周線形狀和大小不變=各層圓筒表面上沒有沒有切應(yīng)力和正應(yīng)力2圓周線之間距離不變、僅發(fā)生相對轉(zhuǎn)動=橫截面無正應(yīng)力,只有切應(yīng)力3縱向線變形后近似為直線、=沿軸線方向切應(yīng)力相
15、等。 結(jié)論:圓軸扭轉(zhuǎn),橫截面只有切應(yīng)結(jié)論:圓軸扭轉(zhuǎn),橫截面只有切應(yīng)力力=圓筒嵌套模型。圓筒嵌套模型。一、切應(yīng)力互等定理一、切應(yīng)力互等定理二、剪切變形和剪切胡克定律二、剪切變形和剪切胡克定律GPa三、圓軸扭轉(zhuǎn)時橫截面上的應(yīng)力(大小和分布規(guī)律)三、圓軸扭轉(zhuǎn)時橫截面上的應(yīng)力(大小和分布規(guī)律)1變形幾何關(guān)系變形幾何關(guān)系x0dxdR切應(yīng)變切應(yīng)變dxd tan縱觀變形與橫觀變形之間幾何關(guān)系縱觀變形與橫觀變形之間幾何關(guān)系單位長度扭轉(zhuǎn)角單位長度扭轉(zhuǎn)角2 物理關(guān)系物理關(guān)系dxdGdxdGGT3 靜力學(xué)關(guān)系靜力學(xué)關(guān)系MeMepI極慣性矩極慣性矩AdA24 切應(yīng)力分布規(guī)律及最大切應(yīng)力切應(yīng)力分布規(guī)律及最大切應(yīng)力TRI
16、TpmaxRITpRIWpp抗扭截面模量抗扭截面模量5 強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件maxpWT第六節(jié)第六節(jié) 梁彎曲時的應(yīng)力梁彎曲時的應(yīng)力.強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件 梁在純彎曲時的正應(yīng)力梁在純彎曲時的正應(yīng)力什么是純彎曲?什么是純彎曲?MMxdxzy純彎曲的變形假設(shè)純彎曲的變形假設(shè)1橫截面仍保持平面橫截面仍保持平面=無切應(yīng)力無切應(yīng)力2縱向纖維之間無擠壓縱向纖維之間無擠壓=無橫向正應(yīng)力無橫向正應(yīng)力3平面偏轉(zhuǎn)平面偏轉(zhuǎn)=軸向正應(yīng)力有壓和拉軸向正應(yīng)力有壓和拉MMxddxyy1幾何關(guān)系幾何關(guān)系dddy-)(y2物理關(guān)系物理關(guān)系yEE xyz曲率曲率3靜力學(xué)方程靜力學(xué)方程xyzMAzzdAyMM, 0AAzdAyEdAyyEM
17、2慣性矩慣性矩zIzzzzEIMIEM1yIMyEEzzxyz0NF0AAANydAEdAyEdAF000ccAyAyydAyx+ + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -zxyzMyAyydAzMM, 00AAyyzdAEdAyzEM0AyzdAyx+ + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -zz5 簡單截面的慣性矩和抗彎截面系數(shù)簡單截面的慣性矩和抗彎截面系數(shù)zyozyzyydy2h2hbyz7 組合截面梁的慣性矩組合截面梁的慣性矩ZxyycZ1Z2a1a2222221211121AaIA
18、aIIIIZZZZZ)()()()(y1y2z60220yO280d 12.521166560zazyC形心形心861342040180120206 簡單截面梁彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度校核簡單截面梁彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度校核例例7.10 鋼制等截面簡支梁受均布載荷作用,梁的橫截面為的矩鋼制等截面簡支梁受均布載荷作用,梁的橫截面為的矩形。已知材料的許用應(yīng)力,求梁的截面尺寸。形。已知材料的許用應(yīng)力,求梁的截面尺寸。 332316368bqlbhqlWxMzmaxct mm9 .671012016210503163362332qlb步驟:步驟:1彎矩圖彎矩圖危險截面危險截面 2截面應(yīng)力計算截面應(yīng)力計算危險點危險點=最
19、大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的位置最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的位置3強(qiáng)度校核區(qū)分強(qiáng)度校核區(qū)分=脆性材料脆性材料/塑性材料塑性材料練習(xí):本題中,如果矩形截面梁由練習(xí):本題中,如果矩形截面梁由素混凝土素混凝土材料制材料制成,截面相同,試計算其許用載荷成,截面相同,試計算其許用載荷q.Mx2.1KN4.8KNC截面截面B截面截面7 橫力彎曲時的正應(yīng)力橫力彎曲時的正應(yīng)力F ABxFSxM橫截面有剪力橫截面有剪力F Fs s時,橫截面不再保持平面,縱向纖維時,橫截面不再保持平面,縱向纖維間存在正應(yīng)力,間存在正應(yīng)力,按照純彎曲推導(dǎo)的正應(yīng)力公式依然可用,按照純彎曲推導(dǎo)的正應(yīng)力公式依然可用,只不過限定梁的高跨比只不過限定
20、梁的高跨比L/h5=L/h5=細(xì)長梁,誤差小。細(xì)長梁,誤差小。8梁橫截面的切應(yīng)力梁橫截面的切應(yīng)力q(x)F1 F2 ZyxdxFsFsxMyZxyM+dMMbhdxxZyy9矩形橫截面的切應(yīng)力分布規(guī)律矩形橫截面的切應(yīng)力分布規(guī)律yZyhdxbxmaxzyOmax 22*42)()(yhIFbIySFyzzzSS 10工字梁橫截面的切應(yīng)力分布規(guī)律工字梁橫截面的切應(yīng)力分布規(guī)律zyOminmaxy11切應(yīng)力強(qiáng)度校核切應(yīng)力強(qiáng)度校核梁橫截面上的切應(yīng)力強(qiáng)度條件梁橫截面上的切應(yīng)力強(qiáng)度條件 bISFzz*max,maxs,max幾個注意問題:幾個注意問題:1危險截面危險截面最大剪力最大剪力Fsmax剪力圖剪力圖
21、2特別應(yīng)該校核剪應(yīng)力的梁特別應(yīng)該校核剪應(yīng)力的梁又窄又高截面又窄又高截面(整個截面可能有較大切應(yīng)力,危險)(整個截面可能有較大切應(yīng)力,危險)短梁短梁(支座處有最大剪力,危險)(支座處有最大剪力,危險)膠結(jié)、焊接、鉚接組合梁膠結(jié)、焊接、鉚接組合梁(層間結(jié)合面強(qiáng)度較弱,危險)(層間結(jié)合面強(qiáng)度較弱,危險)3應(yīng)該校核的危險點應(yīng)該校核的危險點中性層。中性層。 22*42)()(yhIFbIySFyzzzSS 12應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)材料破壞特性材料破壞特性斷口形態(tài)斷口形態(tài)12切應(yīng)力強(qiáng)度校核切應(yīng)力強(qiáng)度校核工字鋼選型工字鋼選型工字鋼選型原則工字鋼選型原則1初選初選正應(yīng)力強(qiáng)度條件正應(yīng)力強(qiáng)度條件2校核校核切應(yīng)力強(qiáng)度條
22、件切應(yīng)力強(qiáng)度條件3確定截面或重新選型。確定截面或重新選型。第七節(jié)第七節(jié) 提高梁強(qiáng)度的措施提高梁強(qiáng)度的措施1合力配置梁的支座和載荷合力配置梁的支座和載荷maxmaxzWMminmaxM1合理配置梁的支座和載荷合理配置梁的支座和載荷maxmaxzWMminmaxM2合理選擇截面形狀合理選擇截面形狀maxmaxzWMmaxAWz面積一定,材料分布盡量遠(yuǎn)離中性軸者最優(yōu)面積一定,材料分布盡量遠(yuǎn)離中性軸者最優(yōu)zyzzybhhAWz).(310270hAWz1670.hAWz1250.yzzybhzOzyy1y2z根據(jù)材料力學(xué)性能,合理配置拉、壓區(qū)。根據(jù)材料力學(xué)性能,合理配置拉、壓區(qū)。4采用變截面梁采用變截面梁maxmaxzWM)()(xMxWz5支座位置按照切應(yīng)力支座位置按照切應(yīng)力強(qiáng)度條件校核。強(qiáng)度條件校核。第八章第八章 連接件實用計算連接件實用計算1什么是連接件?什么是連接件?2剪切的實用計算方法剪切的實用計算方法1銷釘受力圖銷釘受力圖2識別剪切面識別剪切面3截面法,剪切內(nèi)力截面法,剪切內(nèi)力4計算剪切應(yīng)力及強(qiáng)度校核計算剪切應(yīng)力及強(qiáng)度校核AFS2擠壓的實用計算方法擠壓的實用計算方法關(guān)鍵是識別擠壓面關(guān)鍵是識別擠壓面例題例題8-1:拖車掛鉤的強(qiáng)度校核:拖車掛鉤的強(qiáng)度校核例題例題8-3:平鍵的強(qiáng)度校核:平鍵的強(qiáng)度校核
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