anleitung cosmosm

Anleitung COSMOS/M

Dipl.-Ing. A. Lenger September 2006

Finite-Elemente-Praktikum

Inhalt1 Arbeiten mit COSMOS/M............................................................................................. 1-1

1.1 Schritt 1: Geometrieerstellung.................................................................................. 1-1 1.1.1 Point-Definition ...................................................................................................... 1-1 1.1.2 Curve-Definition ..................................................................................................... 1-2 1.1.3 Surface-Definition................................................................................................... 1-2 1.1.4 Volumen-Definition ................................................................................................ 1-3 1.1.5 Sondergeometrien.................................................................................................. 1-3 1.2 Schritt 2: Elementdefinition und Beschreibung....................................................... 1-4 1.2.1 Elementfestlegung EGROUP.................................................................................... 1-4 1.2.1.1 Anzeigen der Elementfestlegung ........................................................................ 1-5 1.2.2 Materialdaten MPROP ............................................................................................ 1-6 1.2.2.1 Anzeigen der definierten Materialdaten .............................................................. 1-7 1.2.3 Real Constant RCONST........................................................................................... 1-7 1.2.3.1 Anzeigen der definierten Real Constant Datenstze ............................................ 1-8 1.2.4 Aktivieren von Datenstze ...................................................................................... 1-9 1.3 Schritt 3: Vernetzung der Geometrie ..................................................................... 1-10 1.3.1 Vernetzung von CURVES ...................................................................................... 1-10 1.3.2 Vernetzung von Surfaces ...................................................................................... 1-11 1.3.3 Vernetzung von Volumes...................................................................................... 1-12 1.3.4 Vernetzung von Sondergeometrien....................................................................... 1-12 1.4 Schritt 4: Definition der Randbedingungen........................................................... 1-13 1.4.1 Definition der Displacements ................................................................................ 1-13 1.4.2 Definition von Einzellasten (Force)......................................................................... 1-14 1.4.3 Definition von Strecken- bzw. Flchenlasten (Pressure) .......................................... 1-15 1.4.4 Definition von Eigengewicht bzw. Beschleunigungen ............................................ 1-16 1.5 Schritt 5: Die Analyse .............................................................................................. 1-17 1.5.1 Bercksichtigung des Eigengewichtes in der Analyse............................................. 1-18 1.5.2 Spannungsergebnisse ins Protokollfile schreiben ................................................... 1-18 1.6 Schritt 6: Die Ergebnisauswertung......................................................................... 1-19 1.6.1 Darstellung der Displacements .............................................................................. 1-19 1.6.2 Darstellung von Spannungen ................................................................................ 1-21

Dipl.-Ing. A. Lenger

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Finite Elemente - Praktikum

1 Arbeiten mit COSMOS/MDie nachstehenden Schritte bilden einen berblick zur Modellgenerierung mit COSMOS/M.

1.1 Schritt 1: Geometrieerstellung

1.1.1 Point-Definition So genannte Keypoints bzw. Points lassen sich unter dem Men Geometry (Abbildung 1-1) definieren. Coordinate Value sprich die X-, Y- und Z-Koordinate des Punktes (siehe Abbildung 1-2) bezieht sich auf das globale Koordinatensystem, welches in COSMOS/M als Koordinatensystem 0 verwaltet wird. Im Grafikbereich wird dieses durch die Symbolik eines kartesischen Koordinatensystems mit dem Ursprung X=0, Y=0 und Z=0 dargestellt.

Abbildung 1-1 Meneintrag

Abbildung 1-2 Dialogfenster PT

Sind mehrere Points zu definieren, so kann der Befehl mit der Return-Taste erneut aktiviert werden. In der Console sind nun im Dialog die entsprechenden Koordinaten einzugeben (Abbildung 1-3).

Abbildung 1-3 Konsolen-Dialog


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1.1.2 Curve-Definition Curvers sind Verbindungslinien zwischen Points (Line with 2 Pts). Sie werden zur Darstellung von Fachwerke bzw. Balkenkonstruktionen verwendet. Auf diese Geometrie wird bei der Vernetzung mit Stab- bzw. Balkenelemente referenzieren (siehe Abschnitt Mesch).

Abbildung 1-4 Men-Curves

1.1.3 Surface-Definition Surfaces (Flchen) beschreiben geometrische Flchen, die beispielsweise ber vier Koordinaten bestimmt werden knnen. Die untergeordnete Geometrien (Curves, Lines) werden automatisch erzeugt.

Abbildung 1-5 Men-Surface

Abbildung 1-6 Dialogfenster-SF4CORD


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1.1.4 Volumen-Definition Unter dem Menpunkt Volumes lassen sich Volumina durch unterschiedliche Methoden erzeugen, wie z.B. durch 8 Points, zwei Surfaces bzw. einer Surface durch extrudieren. Volumen dienen als Geometriegrundlage fr SOLID-Elemente.

Abbildung 1-7 Men Volumes

1.1.5 Sondergeometrien COSMOS/M bietet auch so genannte Sondergeometrien, die sich automatisch vernetzen lassen. Hierzu gehren die Contours (Konturen), die sich aus mehreren Curves zusammensetzen. Regions (Regionen) vergleichbar mit Flchen, die sich aus Contours als Innen- und Auenkonturen definieren lassen. Polyhedra als eine Zusammenfassung von Regions zur Beschreibung einer Auenhaut. Parts die einen Volumenkrper beschreiben, der aus mehreren Polyhedras bestehen kann.


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1.2 Schritt 2: Elementdefinition und Beschreibung1.2.1 Elementfestlegung EGROUP Unter dem Hauptmen PropSets befinden sich die Untermens zur Festlegung der zur Berechnung herzuziehenden Elemente und der Definition der Material- und Elementeigenschaften. Mit Element Group legen Sie das Element fest. Die Elementdatenbank bietet eine Vielzahl von Elemente der Kategorien Point, Line, Area und Volume an. Je nach Geometriegrundlage und durchzufhrende Berechnung whlen Sie das entsprechende Element aus.

Abbildung 1-8 Befehl EGROUP

Abbildung 1-9 Dialogfenster EGROUP (1)

Die in dem Dialogfenster EGROUP angezeigten Optionen beziehen sich auf das ausgewhlte Element und knnen je nach Element unterschiedlich sein.

Abbildung 1-10 Dialogfenster EGROUP (2)


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1.2.1.1 Anzeigen der Elementfestlegung Gewhltes Element und deren Optionen lassen sich mit dem Befehl List Element Group anzeigen.

Abbildung 1-12 Dialogfenster EGLIST

Abbildung 1-11 Men List Element Groups

Abbildung 1-13 Ausgabefenster EGLIST

In dem Dialogfenster EGLIST werden die definierten Elementgruppen angezeigt. Falls mehrere Elementgruppen zur Verfgung stehen, wird die Elementgruppe mit der Kennung ACTIVE bei der Vernetzung bercksichtigt.


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1.2.2 Materialdaten MPROP Materialdaten wie E-Modul, Dichte usw. lassen sich mit dem Befehl Material Property definieren. Aus der Liste Material Property Name lassen sich die Untersttzten Eingaben auswhlen.

Abbildung 1-14 Men Material Property

Abbildung 1-15 Dialogfenster MPROP

Im zweiten Dialogfenster MPROP ist unter Property value der Zahlenwert in vertrglichen Einheiten einzugeben.

Abbildung 1-16 Dialogfenster MPROP (2)


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1.2.2.1 Anzeigen der definierten Materialdaten Mit dem Befehl List Material Props lassen sich die Materialdatenstze anzeigen, das A vor der ausgegebenen Datensatzzeile kennzeichnet den derzeit aktuellen Datensatz.

Abbildung 1-18 Dialogfesnter MPLIST

Abbildung 1-19 Ausgabefenster MPLIST

Abbildung 1-17 Men List Matrial Props

1.2.3 Real Constant RCONST Mit dem Befehl Real Constant lassen sich die Abmessungen z.B. Flche, Flchenmoment 2. Grades usw. des Elementes definieren. Diese Eingaben sind elementspezifisch und hngen von der Elementwahl ab.

Abbildung 1-21 Dialogfenster RCONST

Abbildung 1-22 Dialogfenster RCONST (2)

Abbildung 1-23 Dialogfenster RCONST (3) Abbildung 1-20 Men Real Constant


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Beim Element TRUSS2D beschrnken sich die RCONST-Angaben auf die Flche (Cross-sectional area) und einer Konstanten, die fr eine Temperatur-Analyse Bercksichtigung findet. In den Eingabefeldern lassen sich auch Formeln eingeben. Die Konstante PI ist in COSMOS/M vordefiniert.

Abbildung 1-24 Dialogfenster RCONST (4)

1.2.3.1 Anzeigen der definierten Real Constant Datenstze Mit dem Befehl List Real Constants lassen sich definierte Real Constant Datenstze anzeigen. Auch hier gilt wie bei den Elementgruppe, wenn mehrere Datenstze eingegeben wurden, so wird der bei der Vernetzung bercksichtigt, der aktiv ist.

Abbildung 1-26 Dialogfenster RCLIST

Abbildung 1-25 Men List Real Constants

Abbildung 1-27 Ausgabefenster RCLIST


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1.2.4 Aktivieren von Datenstze Unter dem Men Control Activate whlen Sie den Befehl Set Entity um einen Datensatz zu aktivieren. Es lassen sich Datenstze wie Element Group, Material Property, Real Constant, Load Case usw. ber den Set Entity Befehl in dem Dialogfenster ACTSET auswhlen.

Abbildung 1-29 Dialogfenster ACTSET Abbildung 1-28 Men Set Entity

In dem nachfolgenden ACTSET Dialogfenster erscheint die Nummer des z. Z. aktiven Datensatzes und kann nun entsprechend neu gesetzt werden.

Abbildung 1-30 Dialogfenster ACTSET (2)


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1.3 Schritt 3: Vernetzung der GeometrieFr Regelgeometrien sollten die Befehle Point, Curves, Surfaces und Volumes unter dem Men Meshing Parametric_Mesh herangezogen werden. Mit Point, Curves usw. ist die Geometriegrundlage gemeint die zu vernetzen ist.

1.3.1 Vernetzung von CURVES Bei der Vernetzung von CURVE- Geometrie ist zu beachten, mit welchem Element das Vernetzen durchgefhrt wird. D.h. wird ein 2 Knoten Element (BEAM2D, TRUSS2D usw.) verwendet, so ist in der Zeile Number of nodes per elements mit dem Default-Wert 3 auf 2 umzusetzen. Welche Eingaben zulssig sind erfahren Sie ber den List-Button des Eingabefeldes.

Abbildung 1-32 Dialogfenster M_CR Abbildung 1-31 Men CURVES

Abbildung 1-33 Dialogfenster M_CR (2)

Elemente mit 3 Knoten sind z.B. BEAM3D, TRUSS3D. Bei diesen Elementen wird der dritte Knoten zur Beschreibung des lokalen Koordinatensystems (Elementkoordinatensystem) bentigt. Abbildung 1-34 gibt einen berblick ber die Definition. Anfangsknoten (1) des Elementes zum Endknoten (2) beschreibt die Ausrichtung der lokalen x-Achse, der Knoten 3 beschreibt die x-y-Ebene. Nach der Rechthandregel ergibt sich die z-Achse aus der vorangegangenen Definition.


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Mit Number of elements on each curve lsst sich die Elementanzahl der durch die Curve beschriebene Strecke steuern. Spacing ratio definiert das Lngenverhltnis der Elemente zueinander, so beschreibt ein Wert 1 um wie viel lnger das nachfolgende gegenber dem vorhergehenden Element ist.

Abbildung 1-34 Element Koordinatensystem

1.3.2 Vernetzung von Surfaces Nach der Anwahl Meshing Parametric_Mesh Surfaces erhalten Sie das Dialogfenster M_SF. Hier lassen sich fr die Vernetzung von Flchen spezielle Einstellungen vornehmen, wie z.B. Number of nodes per element die vom ausgewhlten Element, ob 3 Knoten fr Dreieckselemente, 4, 8 bzw. 9 Knoten fr Viereckselemente, abhngt. Unter Number of elements on first curve bzw. Number of elements on second curve kann die Anzahl der Elemente entlang der Curve vorgeben werden. Je nach Anwahl der Eingabezeile wird im Grafikbereich von COSMOS/M die zugehrige Curve gesondert dargestellt.

Abbildung 1-35 Dialogfenster M_SF

Abbildung 1-36 Dialogfenster M_SF (2)


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1.3.3 Vernetzung von Volumes Das Dialogfenster M_VL gestaltet sich hnlich dem der Vernetzung von Curves und Surfaces. Auch hier ist die zuvor durchgefhrte Elementwahl zu beachten.

Abbildung 1-37 Dialogfenster M_VL

Abbildung 1-38 Dialogfenster M_VL (2)

1.3.4 Vernetzung von Sondergeometrien Die unter Kapitel 1.1.5 aufgefhrten Sondergeometrien lassen sich unter dem Men Meshing - Auto_Mesh durch einen in COSMOS/M zur Verfgung gestellten Netzgenerator automatisch vernetzen. Die Anwendung und Handhabung entnehmen Sie bitte der Dokumentation zu COSMOS/M

Abbildung 1-39 Men Auto_Mesh


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1.4 Schritt 4: Definition der RandbedingungenRandbedingungen sind die Definitionen der am realen Modell auftretenden Lasten (Einzellasten, Streckenlasten oder Druckbelastung) sowie der Lagerungen bzw. Absttzungen oder Symmetriebedingungen. Unter dem Men LoadsBC Structural stehen dem Anwender fr die Beschreibung folgende Mens zur Verfgung.

1.4.1 Definition der Displacements Das Men Displacement dient zur Unterdrckung bzw. Vorgabe von Verformungen. Sie lassen sich auf Element-Knoten, Geometrie-Points, entlang einer Curve usw. definieren.

Abbildung 1-40 Men Displacement

Mit Displacement label sind die Freiheitsgrade (DOF) gekennzeichnet, die je nach Elementwahl bis zu 3 translatorische und 3 rotatorische betragen knnen. Translationen sind durch die Kennung U (UX, UY, UZ) und Rotationen durch R (RX, RY, RZ) gekennzeichnet und lassen sich wie in Abbildung 1-41 anwenden.

Abbildung 1-41 Dialogfenster DND


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1.4.2 Definition von Einzellasten (Force) Das Men Force unter LoadsBC Structural bietet hnliche Befehle zur Definition der Einzellasten wie das Men Displacement zur Unterdrckung bzw. Vorgabe von Verformungen.

Abbildung 1-42 Men FORCE

Wir der Befehl Define by Nodes gewhlt wird das Dialogfenster FND dargestellt. Nach Anwahl des Anfangsknotens muss die Kraftrichtung ausgewhlt werden. Diese bezieht sich auf das z. Z. aktuelle Koordinatensystem (meist das globale Koordinatensystem).

Abbildung 1-44 Abbildung 1-43 Dialogfenster FND

Dialogfenster FND (2)

Unter Value ist der Zahlenwert der Kraft in vertrglichen Einheiten unter Bercksichtigung der Ausrichtung (positiv oder negativ) bezglich des aktuellen Koordinatensystems einzugeben.


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1.4.3 Definition von Strecken- bzw. Flchenlasten (Pressure) Je nach ausgewhltem Element lassen sich Strecken- bzw. Flchenlasten unter LoadBC Structural Pressure definieren. Um Beispielsweise einem Balken, beschrieben durch BEAM2DElementen, eine Streckenlast zu zuordnen, kann dieses mit dem Befehl Define by Curve durchgefhrt werden.

Abbildung 1-45 Men PRESSURE

Im Dialogfenster PCR sind nun die relevanten Eingaben durchzufhren. In der Zeile Pressure magnitude geben Sie die Steckenlast [Einheit z.B. N/mm] ein. Pressure at the end of direction 1 ermglicht die Eingabe von linear wirkenden Streckenlasten, standardmig wird von einer konstanten Verteilung ausgegangen, so dass der Wert aus Pressure magnitude bernommen wird.

Abbildung 1-46 Dialogfenster PCR


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Die Angabe Pressure direction bezieht sich auf die Ausrichtung der Streckenlast. Normal gedeutet, die Streckenlast wird normal auf die Elementflche aufgebracht. Bei der Angabe X, Y und Z ist wieder die Ausrichtung des aktuellen Koordinatensystems fr die Druckrichtung (Vorzeichenabhngig) zu bercksichtigen.

1.4.4 Definition von Eigengewicht bzw. Beschleunigungen Unter dem Men Gravity lassen sich Beschleunigung auf das Finite Element Modell aufbringen. Ist z.B. das Eigengewicht des Modells zu bercksichtigen, so kann diese als Gravitationskraft beschrieben werden.

Abbildung 1-47 Men GRAVITY

Im Dialogfenster ACEL ist die Gravitationskonstante g in der globalen Koordinatensystemrichtung anzugeben, in der das Eigengewicht zu bercksichtigen ist. Hier z.B. in der globalen Z-Richtung (Abbildung 1-48).

Abbildung 1-48 Dialogfenster ACEL

Mit dem Befehl List Gravity Load lassen sich die definierten Beschleunigungen in einem Ausgabefenster anzeigen.


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1.5 Schritt 5: Die AnalyseDas Men Static unter Analysis bietet Einstellmglichkeiten bzw. Konfigurationsmglichkeiten zur Strukturanalyse, sowie die Mglichkeit des Startens der Strukturanalyse.

Abbildung 1-49 Men Static Analysis Options

Abbildung 1-50 Dialogfenster A_STATIC

Der Befehl Static Analysis Options aktiviert das Dialogfenster A_STATIC. Hier muss, wenn das Eigengewicht in der Analyse zu bercksichtigen ist, unter Loading flag die Option G: Gravity eingestellt werden. Des weiteren kann hier der so genannte Soft spring flag gesetzt werden, der, falls ein Wert auf der Hauptdiagonalen der Struktursteifigkeitsmatrix gleich Null ist, mit den Wert unter Soft spring value belegt wird. Mit Solver option kann der Gleichungslser (Solver) gewhlt werden, mit dem das Gleichungssystem vom System zu lsen ist. Die Analyse wird mit Run Static Analysis gestartet.


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1.5.1 Bercksichtigung des Eigengewichtes in der Analyse Soll das Eigengewicht in der Berechnung bercksichtigt werden, so ist im Dialogfenster A_STATIC unter Loading flag die Option G:Gravity auszuwhlen. Dies setzt voraus, dass diese wie in Kapitel 1.4.4 dem System bekannt gemacht wurde.

Abbildung 1-51 Dialogfenster A_STATIC (Loading flag)

1.5.2 Spannungsergebnisse ins Protokollfile schreiben Unter Static Stress Analysis Options aktivieren Sie das A_STRESS Dialogfenster. Hier knnen spezielle Optionen fr die Spannungsausgabe bzw. Spannungsberechnung gesetzt werden. Fr die Protokollierung der Spannungsergebnisse im OUT-File ist in der Zeile Stress print flag ein entsprechender Eintrag zu setzten. Mit 0 veranlassen Sie COSMOS/M zur Protokollierung aller Ergebnisse. Die Default-Einstellung ist -1, d.h. keine Spannungs-Ergebnisse werden ins OUT-File geschrieben (siehe Abbildung 1-53).

Abbildung 1-52 Men Stress Analysis Options


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Abbildung 1-53 Dialogfenster A_STRESS

1.6 Schritt 6: Die Ergebnisauswertung1.6.1 Darstellung der Displacements Unter dem Men Results bietet COSMOS/M die Mglichkeit zur Ergebnisdarstellung. Es lassen sich Ergebnisse in grafischer und numerischer Form am Bildschirm ausgeben. Um z.B. Verformungen in grafischer Form darzustellen, whlen Sie unter Plot den Menpunkt Displacement/Response/Reaction. Im Dialogfenster ACTDIS geben Sie den Lastfall Load case number, die zu betrachtende Komponete Component und das Koordinatensystem Coordinate system fr die Ergebnisdarstellung an. 0 steht fr das globale Koordinatensystem.Abbildung 1-54 Men Displacement/Response/Reaction

Abbildung 1-55 Dialogfenster ACTDIS


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Das Dialogfenster DISPLOT dient zur Beschreibung, wie der Verformungsplot darzustellen ist. Ob farbig gefllt oder als ISOLinien-Plot Line flag, als verformte Struktur Shape flage mit entsprechender Skalierung Deformed scale factor.

Abbildung 1-56 Dialogfenster DISPLOT

Die Darstellung stellt sich z.B. wie in Abbildung 1-57 ein, wobei die Farben der Legende den Grad der Vorformung der dargestellten Elemente wiedergeben.

Abbildung 1-57 Ergebnisplot der Verformung (BEAM-Elemente)


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1.6.2 Darstellung von Spannungen Mit Results Plot Stress wird das Dialogfenster ACTSTR aktiviert, mit dem der anzuzeigende Lastfall Load case number, die Spannungskomponente Component etc. auswhlen ist.

Abbildung 1-59 Dialogfenster ACTSTR

Abbildung 1-58 Men Stress

Unter Component werden vom System die Normal-Spannungskomponenten wie x , y , z , die Subspannungskomponenten xy , xz ,

yz , die Vergleichsspannung nach VonMises v , Hauptspannungen 1 , 2 , 3 , etc. bereitgestellt. Diese werden auf das jeweilige aktuelle Koordinatensystem umgerechnet. Des Weiteren bietet ACTSTR die Darstellungsmglichkeiten wie Contour Plot, Vektor Plot, Iso Plot und Section Plot. Die Unterschiede entnehmen Sie bitte dem Benutzerhandbuch.

Abbildung 1-60 Dialogfenster ACTSTR (2)


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Die ausgewhlte Spannungskomponente kann als Knotenpunktspannung bzw. als Elementspannung dargestellt werden. Bei der Knotenpunktspannung handelt es sich um eine interpolierte Elementspannung. Bei Elementen wie z.B. BEAM2D kann ber STRESS-Plot eine Ausgabe der Schnittgren erfolgen. Hier muss dann der Stress flag auf Element gesetzt sein, da die Schnittgren sich auf das Element beziehen und auch nur im Elementkoordinatensystem ausgegeben werden. Im Dialogfenster STRPLOT lassen sich nun speziell fr die ausgewhlte Darstellung (hier am Beispiel Contour Plot) weitere Einstellungen vornehmen. Line flag als Einstellung ob eine farblich gefllte oder Isolinien Darstellung, mit Shape flag zustzlich eine deformierte Darstellung angezeigt werden soll.

Abbildung 1-61 Dialogfenster ACTSTR (3)

Abbildung 1-62 Dialogfenster STRPLOT

Abbildung 1-63 zeigt die Krfte im BEAM-Element.

Abbildung 1-63 STRESS-Plot-Ausgabe (BEAM-Element)


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