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冲 压 CAE何 军十 堰 职 业 技 术 学 院 机 电 系 内 容 纲 要 (1) 第 部 分 模 具 制 造 流 程 传 统 模 具 开 发 引 入 冲 压 CAE数 值 仿 真 的 模 具 开 发 覆 盖 件 模 具 制 造 业 的 发 展 CAE作 用 第 二 部 分 冲 压 件 的 不 良 缺 陷 开 裂 起 皱 回 弹 变 形 不 足 表 面 缺 陷 第 三 部 分 冲 压 成 形 有 限 元 法 简 介 有 限 元 法 简 介 冲 压 CAE有 限 元 法 关 键 技 术 冲 压 CAE有 限 元 法 的 计 算 冲 压 成 形 CAE软 件 介 绍 第 四 部 分 板 料 成 形 数 值 模 拟 有 限 元 基 础 成 形 分 析 基 础 显 式 算 法 , 隐 式 算 法 , 一 步 算 法 板 料 CAE数 值 仿 真 技 术 在 工 艺 与 模 具 设 计 中 所 能解 决 的 问 题 板 料 CAE数 值 仿 真 技 术 的 实 施 和 作 用 第 五 部 分 一 步 成 形 及 其 应 用 案 例 第 六 部 分 增 量 法 计 算 及 其 案 列 第 七 部 分 模 具 工 艺 面 的 快 速 设 计 第 八 部 分 冲 压 系 统 CAE介 绍 板 料 成 形 CAE 模 具 结 构 CAE 冲 压 线 运 动 分 析 CAE 废 料 流 动 分 析 CAE 第 一 部 分 模 具 开 发 流 程 传 统 模 具 开 发 产 品 设 计 成 形仿 真 (CAE) 生 产REDESIGN 模 具 设 计产 品 分 析 REDESIGN调 试模 具模 具 设 计及 加 工Die Process Design CAD BasedHardware Tryout “SKIPPED”引 入 CAE数 值 仿 真 的 模 具 开 发 模 具 行 业 发 展 开 发 产 品 更 新 快开 发 日 程 缩 短 消 费 者 对 产 品 品 质需 求 日 益 提 高 WTO竞 争 更 加 激 烈模 具 复 杂 度 及 品 质要 求 相 对 提 高降 低 成 本 压 力模 具 行 业要 求 缩 短 日 程迈 向 国 际 化模 具对 产 品 上 市 时 间影 响 最 大开 发 时模 具 成 本 最 高 板 料 CAE数 值 模 拟 在 模 具 开 发中 的 作 用 大 量 降 低 实 际试 模 时 间 、 次 数 缩 短 产 品 设 计 到生 产 的 时 间 允 许 多 种 设 计优 化 设 计提 高 产 品 创 新分 析 数 据验 证 产 品 设 计 品 质专 业 知 识 和 经 验快 速 积 累数 字 模 具 开 发板 料 冲 压 CAE困 难 成 形 问 题 解 决策 略 研 究研 究 材 料 对 成 形影 响 及 采 用 对 策资 料 数 字 化方 便 经 验 积 累传 递 第 二 部 分 板 料 成 形 过 程 的 常见 缺 陷 及 产 生 原 因 开 裂 /减 薄 起 皱 /折 料 回 弹 扭 曲 变 形 不 足 表 面 缺 陷 开 裂 /减 薄 产 生 场 合 深 冲 工 艺 小 半 径 区 域 , 凸 模 圆 角 处 ( 材 料 的 抗 拉 弯 强 度 ) 侧 壁 中 心 ( 材 料 延 展 性 , 塑 性 失 稳 ) 材 料 通 过 拉 伸 筋 进 入 凹 模 , 流 动 局 部 化 。 分 类 按 程 度 不 同 分 微 观 拉 裂 工 件 中 已 产 生 肉 眼 难 以 看 清 的 裂 纹 , 一 部 分 材 料 已 失 效 单 纯 的 拉 胀 或 单 纯 的 弯 曲 引 起 局 部 拉 应 变 过 大 宏 观 拉 裂 工 件 已 出 现 肉 眼 可 见 的 裂 纹 或 断 裂 通 常 主 要 由 薄 板 平 面 内 的 过 度 拉 胀 引 起 局 部 拉 应 变 过 大 开 裂 原 因 在 拉 伸 的 过 程 中 , 应 变 超 过 其 极 限 , 而 形成 的 失 稳 。 开 裂 /减 薄 应 对 措 施 解 决 办 法 改 变 法 向 接 触 力 和 切 向 摩 擦 力 的 分 布 , 降 低拉 裂 区 的 拉 应 变 值 调 整 压 边 力 改 善 润 滑 条 件 增 加 辅 助 工 序 ( 改 变 产 品 圆 弧 或 斜 度 , 增 加 整 形 ) 调 整 拉 延 筋 变 换 材 料 或 者 调 整 板 料 尺 寸 多 步 拉 延 起 皱 和 叠 料 产 生 原 因 由 于 局 部 压 应 力 过 大 导 致 薄 板 失 稳 所 致 , 正 好与 拉 裂 的 产 生 原 因 相 反 两 种 应 力 状 态 容 易 起 皱 环 向 应 力 : 法 向 起 皱 与 侧 壁 起 皱 失 稳当 冲 压 件 的 周 长 不 断 减 少 ,此 时 只 要 板 料 中 未 受 支 撑区 域 的 长 度 与 厚 度 之 比 较大 就 会 起 皱 . 后 果 影 响 零 件 的 精 度 和 美 观 性 影 响 下 一 道 工 序 的 正 常 进 行 起 皱 和 叠 料 一 般 解 决 方 法 解 决 办 法 增 加 起 皱 处 的 法 向 接 触 力 ( 有 导 致 其 他 部 位被 拉 裂 的 危 险 ) 准 确 预 测 材 料 的 流 动 情 况 产 品 形 状 和 模 具 形 状 增 大 压 边 力 增 加 拉 延 筋 数 量 或 者 增 加 高 度5 kN 50 kN10 kN 回 弹 及 扭 曲 产 生 原 因 二 维 纯 弯 曲 回 弹 计 算 公 式 弹 性 回 弹 : 屈 服 应 力 ,模 具 间 隙 ,板 料 厚 度 塑 性 回 弹 : 塑 性 变 形 区 释 放 残 余 应 力 的 卸 载 过 程成 形 后 , 冲 压 材 料 由 于 弹 性 卸 载 , 导 致 局 部 或 整 体发 生 变 形 。 后 果 导 致 冲 压 件 的 尺 寸 和 模 具 的 工 作 表 面 尺 寸 不符 REtm312 回 弹 应 对 措 施 解 决 方 法 调 整 产 品 设 计 (圆 角 等 ,产 品 均 衡 等 ) 调 整 模 具 圆 角 和 尺 寸 调 整 工 艺 方 法 (变 压 边 力 ) 模 具 结 构 方 法 回 弹 补 偿 材 料 变 形 不 足 产 生 原 因 材 料 没 有 足 够 拉 伸 , 没 有 达 到 一 定 的 变 形 量 后 果 回 弹 产 品 刚 度 不 足 (软 )yu hardening ruptureonset of neckinge 变 形 不 足 应 对 措 施 解 决 办 法 调 整 压 边 或 者 拉 延 筋 等 , 使 产 品 均 匀 变 形 调 整 拉 延 模 设 计 ( 工 艺 补 充 面 ) 表 面 缺 陷 产 生 原 因 滑 移 线 : 产 品 或 者 模 具 设 计 不 合 理 , 导 致 材料 弯 曲 滑 移 , 产 生 滑 移 线 材 料 本 身 : 材 料 单 拉 应 力 应 变 曲 线 上 有 屈 服 点 伸长 外 部 约 束 回 弹 等 原 因 造 成 产 品 扭 曲 , 形 成 凸 凹 不 平 后 果 (外 观 零 件 ) 影 响 产 品 美 观 表 面 缺 陷 应 对 措 施 解 决 办 法 调 整 冲 压 工 艺 方 案 , 使 成 形 过 程 中 , 表 面 区 域的 材 料 滑 动 和 摩 擦 减 小 主 要 不 平 度 要 求 部 位 及 相 关 特 征 造 成 的 回 弹 影响 第 三 部 分 冲 压 成 形 有 限 元 法 简 介 有 限 元 法 简 介 板 料 成 形 FEM简 介 冲 压 有 限 元 法 关 键 技 术 冲 压 有 限 元 法 计 算 冲 压 CAE软 件 介 绍 有 限 元 法 起 源 有 限 元 法 是 随 着 计 算 机 技 术 发 展 而 出 现 的一 种 基 于 变 分 原 理 来 求 解 骗 微 分 方 程 的 有效 数 值 计 算 方 法 。 起 源 于 20世 纪 40年 代 的 结 构 力 学 的 矩 阵 算法 。 1960年 Clough提 出 ” 有 限 元 法 “ 术 语 。 单元 数 目 和 节 点 数 目 均 有 限 , 称 为 有 限 元 法FEM(Finite Element Method ) 基 本 思 路 把 连 续 体 视 为 离 算 单 元 的 集 合 体 ” 化 整 为 零 “ , 将 连 续 体 分 解 为 有 限 个 形态 比 较 简 单 的 ” 单 元 “ 。 对 这 些 单 元 分 别进 行 分 析 。 ” 积 零 为 整 “ , 将 各 个 单 元 重 新 组 合 为 原来 的 连 续 体 的 简 化 ” 模 型 “ , 根 据 变 形 谐调 条 件 求 解 得 到 基 本 未 知 量 ( 位 移 ) 在 若干 离 算 点 的 数 值 解 。 根 据 数 值 解 再 回 到 个 单 元 中 计 算 其 他 物 理量 ( 应 力 、 应 变 、 温 度 等 ) 连 续 的 CAD曲 面 被 分 解 为 离 算 的 有 限 元 单 元 板 料 成 形 FEM简 介 板 料 成 形 过 程 , 是 指 利 用 金 属 板 料 在 常 温固 态 下 的 塑 性 , 通 过 模 具 的 外 力 作 用 制 成所 需 零 件 的 一 种 加 工 方 法 。 从 力 学 上 来 看 , 板 料 成 形 是 一 个 几 何 、 材料 和 边 界 接 触 条 件 等 典 型 非 线 性 过 程 , 涉及 板 料 在 拉 深 和 涨 形 的 复 杂 应 力 状 态 下 材料 的 塑 性 流 动 、 塑 性 强 化 , 及 起 皱 、 破 裂的 防 止 、 回 弹 预 测 问 题 。 1973年 , S.Kobayashi提 出 的 刚 塑 性 有 限 元法 来 模 拟 冲 压 成 形 过 程 。 1977年 , GM公 司 研 讨 会 上 N.M.Wang提 出了 弹 粘 塑 性 有 限 元 法 模 拟 平 底 圆 凸 模 和 半球 凸 模 的 拉 深 过 程 。 1978年 , N.M.Wang和 Budiansky基 于 非 线性 薄 膜 理 论 , 应 用 弹 塑 性 全 Largrangian格式 分 析 了 任 意 几 何 形 状 模 具 的 冲 压 问 题 。 20世 纪 80年 代 后 期 , 为 了 促 进 板 料 成 形 模拟 技 术 的 研 究 和 应 用 , 国 际 上 发 起 了 定 期召 开 国 际 板 料 成 形 三 维 数 值 模 拟 会 议NUMISHEET。 成 形 CAE有 限 元 的 关 键 技 术 单 元 技 术 膜 单 元 、 壳 单 元 、 实 体 单 元 。 基 于 板 壳 理 论 的 壳 单 元既 能 处 理 弯 曲 和 剪 切 效 应 , 又 不 像 实 体 单 元 需 要 很 长 计 算时 间 。 求 解 格 式 冲 压 成 形 是 一 个 大 变 形 的 非 线 性 力 学 过 程 , 数 值 分 析以 增 量 法 为 主 。 分 为 静 力 和 动 力 两 大 类 , 其 中 有 显 式 和 隐式 之 分 。 本 构 关 系 复 合 应 力 状 态 下 材 料 如 何 屈 服 , 以 及 屈 服 后 如 何 流 动 。 成 形 CAE有 限 元 的 关 键 技 术 模 具 几 何 形 状 的 数 字 描 述 模 具 几 何 形 状 的 数 字 描 述 有 多 种 方 式 , 目 前 较 常 采 用 的 是 STL格 式 。 摩 擦 边 界 条 件 的 施 加 摩 擦 与 金 属 的 成 分 、 毛 坯 与 模 具 间 的 相 对 滑 动 速 度 、温 度 及 润 滑 条 件 有 关 。 接 触 处 理 主 要 包 括 计 算 坯 料 与 模 具 接 触 的 处 理 方 法 网 格 划 分 和 重 划 分 技 术 在 有 限 元 数 值 模 拟 中 , 网 格 质 量 对 数 值 求 解 的 稳 定 性 、效 率 及 精 度 至 关 重 要 。 成 形 的 计 算 方 法 显 式 算 法 动 态 显 式 和 静 态 显 式 算 法 具 有 较 好 的 稳 定 性 计 算 速 度 快 , 不 存 在 收 敛 控 制 问 题 需 要 的 内 存 也 少 隐 式 算 法 计 算 快 -大 增 量 步 长 精 度 高 -回 弹 中 较 多 应 用 一 步 法 用 线 性 应 变 路 径 的 假 定 , 并 且 忽 略 接 触 摩 擦 过 程 速 度 快 , 准 确 性 低 偏 微 分 方 程 简 化 的 运 动 方 程 示 意 图这 个 偏 微 分 方 程 的 求 解 , 采 用 代 数 的 方 法 , 避 免 对 该 方 程 积 分 , 而 是 采用 在 相 隔 时 间 里 转 化 为 代 数 方 程 组 , 求 解 。 显 式 有 限 元 计 算 隐 式 有 限 元 计 算 板 料 成 形 的 计 算 方 法 比 较显 式 算 法 隐 式 算 法时 间 步 长 小 无 时 间 步 长 限 制 ( 静 态 )循 环 次 数 多 少逆 矩 阵 对 角 矩 阵 、 容 易 每 步 需 对 刚 度 矩 阵 求 逆可 靠 度 使 用 小 的 时 间 步 长 时 ,保 证 可 以 得 到 结 果 通 常 在 没 有 收 敛 情 况 下 ,可 得 到 结 果内 存 需 求 少 多计 算 时 间 较 长 短 板 料 成 形 CAE软 件 介 绍 国 外 PAMSTAMP-ESI 法 国 AUTOFORM-ETH,瑞 士 联 邦 学 院 DYANFORM(前 后 处 理 ) +LS-DYNA(求 解 器 ) -ETA,美 国 HYPERMESH(前 后 处 理 ) + LS-DYNA(求 解器 ) ALTAIR,美 国 国 产 软 件 -KMAS 金 网 格 -FASTAMP 华 中 科 大 第 四 部 分 冲 压 CAE在 成 形 分 析 的 应用 内 容 成 形 分 析 基 础 成 形 分 析 的 数 字 化 模 型 成 形 分 析 过 程 的 参 数 设 置 成 形 分 析 结 果 的 判 断 整 改 方 案 成 形 分 析 的 目 的 利 用 现 代 计 算 机 技 术 , 使 用 CAE系 统 对 模具 的 可 制 造 型 进 行 分 析 , 在 模 具 设 计 阶 段 ,优 化 工 艺 方 案 , 解 决 潜 在 问 题 , 确 保 冲 压零 件 的 质 量 。 通 过 对 冲 压 模 具 成 形 的 数 字 化 模 拟 分 析 ,发 现 冲 压 零 件 在 实 际 生 产 过 程 中 可 能 出 现的 问 题 , 并 在 模 具 设 计 阶 段 加 以 解 决 , 避免 在 模 具 调 试 过 程 中 出 现 问 题 。 成 形 分 析 基 础 材 料 因 素 -拉 伸 试 验 拉 伸 试 验 测 定 材 料 性 能 的 基 本 手 段 原 始样 本 加 载样 本 卸 载 后样 本 材 料 因 素 -应 力 /应 变 (工 程 ) 应 力 应 变 等 效 应 变 e = F_ Ao ee = l - lo lo 2 2 21 2 2 3 3 1( ) ( ) ( ) /2 材 料 因 素 - 真 实 应 变 工 程 应 变 真 实 应 变 因 为 l o是 通 过 无 穷 多 个 中 间 状 态 , 才 逐 渐 变 成 l。 真 实 应 变 ( 中 间 无 穷 多 个 中 间 状 态 , 数 学 积 分 )n 0 0(l )/e l l eT = ln(l / lo)=ln( 1+ ee)ln(1+e)e 材 料 因 素 -应 变 三 个 分 量 应 变 分 量 (三 个 主 方 向 ) 主 应 变 (主 应 变 是 材 料 的 拉 伸 方 向 ) emaj = ( l lo)/lo 次 应 变 emin = ( w - wo)/wo 厚 度 方 向 应 变 ethk = ( t - to)/to 材 料 因 素 - 厚 向 异 性 系 数 r2e 3e宽 度 仿 效 的 应 变 和 厚 度 方 向 应 变 之 比 表 示 :2 3r=e /e厚 向 异 性 系 数 ( R)轧 制 生 产 时 , 微 观 晶 粒 重 组 变 形轧 制 方 向 材 料 延 伸 , 厚 度 方 向 材 料 压 缩R是 宽 度 方 向 应 变 和 厚 度 应 变 方 向 比 值R越 大 , 抵 抗 失 稳 变 薄 的 能 力 , 深 拉 延 性 能 越 好三 个 分 量 : R0, R45, R90 ,表 示 平 面 内 各 向 异 性 材 料 因 素 - 厚 向 异 性 系 数 r厚 向 异 性 系 数 ( R)轧 制 生 产 时 , 微 观 晶 粒 重 组 变 形轧 制 方 向 材 料 延 伸 , 厚 度 方 向 材 料 压 缩R是 宽 度 方 向 应 变 和 厚 度 应 变 方 向 比 值R越 大 , 抵 抗 失 稳 变 薄 的 能 力 , 深 拉 延 性 能 越 好三 个 分 量 : R0, R45, R90 ,表 示 平 面 内 各 向 异 性 材 料 因 素 - 应 变 强 化 指 数 n使 用 指 数 函 数 来 逼 近 实 际 应 力 曲 线 。nKeyu hardening ruptureonset of neckinge 材 料 因 素 -应 力 /应 变 曲 线 应 力 应 变 曲 线 杨 氏 模 量 ( E) E = / e( 弹 性 阶 段 ) 屈 服 应 力 : 发 生 塑 性 变 形 时 的 应 力 这 一 点 不 是 精 确 的 , 传 统 测 量 点 是 : 0.2%应 变 抗 拉 强 度 ( UTS) : 最 大 应 力 点 , 均 匀 塑 性变 形 停 止 , 发 生 颈 缩( 屈 服 和 抗 拉 范 围 越 大 , 塑 性 变 形 区 大 , 有 利 于 深 拉 伸 ) 泊 松 比 n : 弹 性 变 形 时 纵 向 和横 向 应 变 比 加 工 硬 化 指 数 或 强 化 指 数 n来 源 于 应 力 和 应 变 关 系 ,n越 大 , 失 效 前 均 匀 变 形 越 大 , 变 形 强 化 明 显 , 增 大 均 匀 变 形 区 范 围 。 抵 抗 颈 缩 能 力 越 大 , 适 合 胀 形 。 试 验 测 得 的 工 程 应 力 应 变 曲 线 平 滑 处 理 板 料 CAE常 用 材 料 模 型应 力 应 变 曲 线 模 型 : 理 想 弹 塑 性 模 型 理 想 刚 塑 性 模 型 弹 塑 性 强 化 模 型 刚 塑 性 硬 化 模 型 材 料 成 形 结 果 判 定 材 料 成 形 结 果 判 定 OA: 二 向 拉 伸 ( 两 个 方 向 应 变 相 等 ) emaj = emin , et = -2emaj; maj = min 0, t = 0 OC: 平 面 应 变 emaj = -et emin = 0 ; maj min 0 , t = 0 OB: 单 向 拉 伸 emaj = - 2 emin = - 2 et maj 0 , min = 0 , t = 0 OD: 纯 剪 切 e maj = - emin , et = 0; maj 0 , min 0 , t = 0 OE: 双 向 压 缩 et = emaj = - 1/2 emin maj 0 , min 0 ,and min maj , t = 0 典 型 冲 压 模 结 构 正 冲 (双 动 ) 反 冲 (单 动 ) 四 工 具 过 拉 伸 正 冲 (双 动 )Upper RingUpper Die post 反 冲 (单 动 )Upper DieLower Ring Punch 四 工 具 过 拉 伸 模 具 结 构气 缸 或 液 压 缸 下 压 力 垫 行 程上 压 力 垫 行 程 切 边 位 置拉 延 槛 上 压 力 垫下 压 力 垫 下 压 力 垫) 成 形 分 析 基 础 物 理 世 界 的 模 具 凸 模 凹 模 压 料 面 拉 延 筋 其 他 成 形 分 析 基 础 数 码 世 界 , 进 行 分 析 时 , 只 抽 取 模 具 的 型面 进 行 分 析 成 形 分 析 基 础 ( 研 合 )物 理 世 界模 具 调 试 最 重 要 的 环节通 过 机 加 工 、 钳 工 等手 段 保 证研 合 率 要 求 在 85%研 合 不 好 会 造 成 调 试困 难 数 码 世 界只 抽 取 凸 、 凹 模 一 面 ,另 一 面 通 过 偏 置 一 个 料 厚得 到研 合 率 100% 拉 延 筋物 理 世 界拉 延 筋 有 实 体 形 状凸 筋 、 凹 筋 数 码 世 界拉 延 筋 没 有 实 体 形 状使 用 中 心 线 和 约 束 力来 模 拟 实 体 拉 延 筋 板 料物 理 世 界料 厚 不 均 匀材 料 性 质 变 化 数 码 世 界料 厚 均 匀材 料 性 质 确 定 如 何 得 到 准 确 的 分 析 结 果 关 键 在 于 输 入 正 确 、 准 确 、 合 理 的 参 数 正 确 性 -各 个 参 数 的 意 义 明 确 各 个 参 数 对 分 析 结 果 的 影 响 明 确 准 确 性 各 个 参 数 的 数 值 数 值 来 源 及 变 化 范 围 合 理 性 各 个 参 数 的 平 衡 考 虑 板 料 板 料 除 了 需 要 厚 度 、 尺 寸 、 形 状 外 , 还 有 拉 伸 性 参 数 ( n值 ) -n 值 越 高 , 拉 伸 性 越 好 屈 服 应 力 屈 服 应 力 越 高 , 成 形 性 越 差 ,回 弹 越 严 重 横 向 异 性 参 数 ( r值 ) -r值 越 高 , 拉 深 性 越好 分 析 结 果 通 用 判 断 标 准 无 开 裂 无 起 皱 减 薄 率 小 于 25% 第 五 部 分 一 步 法 计 算 及 案 例 排 样 第 六 部 分 增 量 法 计 算 及 其 案 例制 件 名 称 : 左 右 铰 链 加 强 版料 厚 : 1.6材 料 : DC06 毛 坯 尺 寸 : 860X440压 料 力 : 50T 第 七 部 分 模 具 工 艺 面 快 速 设 计 案 例 八 冲 压 系 统 CAE介 绍 板 料 成 形 CAE 模 具 结 构 CAE 冲 压 线 运 动 分 析 CAE 废 料 流 动 分 析 CAE 冲 压 系 统 CAE 完 全 的 板 料 冲 压 成 形 CAE 整 个 成 形 过 程 , 一 次 完 成 完 备 的 板 料 冲 压 求 解 方 案 ( 拼 焊 板 成 形 , 热 成形 , 超 塑 性 成 形 , 液 压 弯 管 等 等 冲 压 模 系 统 分 析 模 具 结 构 疲 劳 强 度 分 析 冲 压 线 运 动 干 涉 分 析 废 料 流 动 分 析 模 具 结 构 疲 劳 分 析 读 取 模 具数 据 文 件划 分 面 网 格划 分 体 网 格边 界 条 件载 荷 条 件疲 劳 分 析 模 具 结 构 疲 劳 分 析 Total Processing Time 4 hours Punch Speed 6 M/Sec. Balanced Support 模 具 结 构 疲 劳 分 析 模 具 支 撑 系 统 强 度 冲 压 线 分 析 Hood Inner & Outer - 运 动 曲 线 转 换 Schuler Designed Motion Curve X-Bar Center Motion Curve Profile Motion Curve for SimulationY-Direction VelocityZ-Direction Velocity Hood Inner & Outer 吸 盘 运 动 分 析 Animations of 6-Suction Cup Design 切 边 废 料 流 动 分 析需 要 的 信 息 : 上 模 (Red)下 模 支 持 系 统 (Blue)废 料 槽 (Light Blue) Question and Discussion ?Thank You All !
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