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      《海洋工程》2021年第4期中文摘要
      日期:2021年07月27日 17:31:06點擊數:字號:【

      在建導管架平臺圓管風致渦激振動及減振研究

      劉利琴1,陳益群1,沈文君2,李  昊1,吳志強3

      (1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津  300072;2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津  300456;3.天津大學 機械工程學院,天津  300072)

      摘要:研究了大型導管架平臺臥式建造時出現單邊約束圓管的風致渦激振動問題。將建造過程中單邊約束的導管架圓管簡化成懸臂梁模型,采用van der Pol尾流振子模型模擬圓管受到的流體力,建立了圓管風致渦激振動動力學方程。使用伽遼金方法對建立的運動方程進行求解,數值分析了圓管在特定約化風速下的渦激振動特性。在圓管上附加非線性能量阱(NES)作為被動減振裝置對圓管進行減振,并采用粒子群優化算法對NES的非線性剛度和阻尼參數進行了優化。結果表明,在約化速度為4.8時,得到的NES優化的非線性剛度和阻尼參數組合可以有效減小懸臂梁自由端風致渦激振動位移。本研究說明了采用NES和粒子群優化算法可以有效的減小圓管的風致渦激振動,為導管架安全建造提供一定的參考。

      關鍵詞:風致渦激振動;懸臂梁;非線性能量阱;尾流振子;粒子群優化算法

       新型干樹半潛式海洋平臺垂蕩運動性能研究

      郭嘉寧1,2,3,呂海寧1,2,3,謝文會4

      (1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2. 上海交通大學 三亞崖州灣深??萍佳芯吭?,海南 三亞  572025;3. 上海交通大學 海洋裝備研究院,上海  200240;4.中海油研究總院有限責任公司,北京  100028)

      摘要:在深海油氣田開發中,干式采油樹比濕式采油樹具有更多優勢。為減小半潛平臺的垂蕩運動,使其能夠采用干式采油樹,對一種深吃水且具有大面積下浮箱的新型半潛平臺的運動性能進行了探究?;趧萘骼碚?,采用頻域和時域相結合的分析方法,計算了平臺在多種海況下的運動響應,為新型平臺的運動分析和設計提供指導。同時,開展了水池模型試驗,將計算結果與試驗結果相比較,驗證了數值模擬結果的準確性。為進一步探究新型平臺的運動性能,研究了下浮箱放置深度對平臺運動性能的影響,并進行相應的模型試驗。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干樹半潛平臺的垂蕩運動性能。綜合考慮平臺運動性能和工程實際應用條件,確定了最合適的下浮箱放置深度值。

      關鍵詞:干樹半潛平臺;下浮箱;數值模擬;模型試驗

       畸形波作用下半潛式平臺的波浪爬升與氣隙響應特性

      李業成1,2,宋  揚3,李新超4,李  欣1,2,盧文月1,2,鄧燕飛5,6

      (1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海  200240;2.上海交通大學 三亞崖州灣深??萍佳芯吭?,海南 三亞  572000;3.中國船舶及海洋工程設計研究院,上海  200011;4.海洋石油工程股份有限公司,天津  300452;5. 哈爾濱工業大學,廣東 深圳  518000;6. 中集海洋工程有限公司,廣東 深圳  518000)

      摘要:半潛平臺的波浪爬升與氣隙響應是設計過程中的重要考量因素。為探究隨機波浪場中畸形波對半潛平臺波浪爬升及氣隙響應的影響,將含畸形波的隨機波浪試驗與一般隨機波浪試驗結果進行了對比研究分析。對模型試驗測得的運動以及監測點處的波浪爬升及氣隙進行頻譜分析以及極值統計分析。研究發現,縱蕩和縱搖的極大值主要受畸形波的影響而顯著增大,縱蕩、垂蕩以及縱搖響應譜幾乎不受單個畸形波影響;波浪爬升與氣隙的極大值受到畸形波的影響而增大,同時,畸形波對氣隙響應譜造成極大影響,增強了波浪爬升與氣隙響應的非線性性。

      關鍵詞:半潛平臺;畸形波;隨機波浪;波浪爬升;氣隙響應

      基于EMD-LSTM模型半潛平臺運動極短期預報

      魏強強1,2,李  欣1,2,李新超3,盧文月1,2

      (1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2.上海交通大學 三亞崖州灣深??萍佳芯吭?海南 三亞  572024;3.海洋石油工程股份有限公司,天津  300461)

      摘要:半潛平臺在復雜海洋環境作用下,會發生不規則的六自由度運動響應。這種平臺運動的不規則性和隨機性對平臺作業、棧橋控制以及直升機起落等造成極大的不確定和未知風險。因此,在極短期內準確快速預報平臺運動響應對深海浮式平臺作業和設備安全具有重要的實際意義。然而目前針對浮式平臺運動響應的計算主要是基于勢流理論,對確定波浪激勵下的平臺一階運動和二階慢漂運動進行求解,計算的時效性不能滿足實際需求。此外,還需要對入射波浪時歷進行準確預報,導致平臺運動響應準確計算更加困難。針對上述難題,提出了基于EMD-LSTM模型進行平臺運動極短期預報的方法。該方法以半潛平臺模型試驗數據為研究對象,首先對平臺運動響應的時間序列進行預處理,接著采用經驗模態分解算法(EMD)將時間序列分解成相對平穩的分量,再利用長短期記憶(LSTM)神經網絡可以處理復雜非線性長時間序列的優點,對時間序列進行訓練預測,最后進行仿真,同時與傳統LSTM模型與EMD-BP模型進行對比,仿真結果表明基于EMD-LSTM模型的平臺極短期預報方法精度較高,該方法是可行的,具有工程應用的實際意義。

      關鍵詞:經驗模態分解;長短期記憶網絡;極短期預報;時間序列

      順應式系泊浮體慢漂運動物理模型試驗研究

      金瑞佳1, 2,張崇偉1, 3,柳  葉4,耿寶磊1,鄭艷娜3

      (1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津  300456;2.中國海洋大學 工程學院,山東 青島  266100;3.大連海洋大學 海洋與土木工程學院,遼寧 大連  116036;4.天津大學 建筑工程學院,天津  300072)

      摘要:為研究順應式海洋平臺慢漂運動的影響因素,以截斷圓柱和漂浮方箱為例進行了不規則波作用下的慢漂運動模型試驗。測量了不同系泊剛度條件下的漂浮方箱以及相同系泊剛度條件下的截斷圓柱和漂浮方箱在靜水中自由衰減運動和在不規則波中的運動響應,并將運動響應分解成一階波頻運動響應和二階低頻運動響應,分析了系泊剛度和浮體形狀對浮體運動的影響。通過物理模型試驗發現了系泊剛度及浮體形狀對順應式系泊浮體一階運動標準差和二階低頻運動平均漂移值和標準差的關系,結果表明由于順應式浮體的固有周期遠離波浪譜峰周期時,系泊剛度以及浮體形狀對慢漂運動的一階運動響應影響不大;二階低頻運動相對偏離平衡位置的平均值和標準差均隨系泊剛度增大而減小,浮體形狀同樣對慢漂運動的二階低頻縱蕩運動響應影響較大。試驗結果為實際海洋工程的外形選擇和系泊剛度選擇提供數據支持。

      關鍵詞:系泊浮體;慢漂運動;系泊剛度;浮體形狀

      新型激光雷達浮標運動響應特性數值研究

      郭晨偉1,高洋洋1,2,3,國  振2,3,王立忠1,2,3

      (1.浙江大學 海洋學院,浙江 舟山  316021;2.浙江大學 海南研究院,海南 三亞  572024;3.海洋感知技術與裝備教育部工程研究中心,浙江 舟山  316021)

      摘要:以新型激光雷達浮標系統為研究對象,基于ANSYS/AQWA開展了激光雷達浮標系統運動響應特性數值研究,研究了浮標吃水深度、形狀參數對于激光雷達浮標運動響應的影響規律,分析了附加質量、輻射阻尼、運動響應RAO及一階、二階波浪力等水動力參數。采用時域分析方法對不同風浪流荷載入射角度下的激光雷達浮標錨泊系統張力特性進行了計算分析。研究結果表明:隨著浮標吃水深度的增加,浮標縱蕩方向響應無明顯變化,垂蕩響應顯著增大;隨著浮標底部圓臺直徑的增大,浮標縱蕩方向響應變化較小,而圓柱形浮標垂蕩運動響應顯著大于圓臺形浮標;當浮標系泊錨鏈發生松弛-張緊狀態變化時易出現極端張力,且極端張力出現的幅值和頻率隨有效波高的增大和譜峰周期的減小而增大。

      關鍵詞:激光雷達浮標;數值模擬;時域計算;運動響應;系泊張力

      基于黏聚單元法計算分析海洋平臺錐形立柱冰載荷

      詹開宇,趙偉文,萬德成

      (上海交通大學 船海計算水動力學研究中心(CMHL) 船舶海洋與建筑工程學院,上海  200240)

      摘要:基于非線性有限元分析方法和LS-DYNA計算軟件,使用黏聚單元法建立層冰的數值模型,并進行了層冰與錐形立柱相互作用的數值模擬,研究抗冰錐角、冰厚等參數對立柱所受冰載荷的影響。模擬結果與實測與試驗結果吻合良好。研究結果表明:使用黏聚單元法建立的層冰模型可以較好地模擬出層冰的破碎和堆積過程,冰載荷計算結果與ISO冰力標準結果以及離散單元法計算結果吻合較好;錐形立柱的抗冰錐角大小對冰載荷影響明顯,隨著錐角增大,水平方向的最大冰力增大而豎直方向上最大冰力減??;錐形結構改變了碰撞過程中層冰的破壞形式;結構物所受冰力大小與層冰厚度呈正相關,且增加速度接近線性。

      關鍵詞:層冰;錐形結構物;黏聚單元法;冰載荷

      孤立波與升沉水平板相互作用數值模擬研究

      紀巧玲,劉慶凱,徐成浩

      (山東科技大學 交通學院,山東 青島  266590)

      摘要:合理的剛度和潛深設計可以使升沉水平板獲得優異的消浪性能?;诳紤]流體黏性的二維不可壓縮Navier-Stokes方程,以高階緊致插值CIP(constrained interpolation profile)方法求解方程對流項,采用VOF(Volume of fluid)方法重構自由液面,構建二維數值波浪水槽。采用試驗數據驗證模型后,研究孤立波與升沉水平板相互作用,分析相對剛度K*、相對潛深d/h、相對波高H/h對于升沉板的消浪性能和運動響應的影響,揭示升沉板對孤立波的消浪機理。研究表明:在孤立波通過時,升沉板會經歷一個先上升后下降的運動,隨后非線性自由振動,板下方水體近似均勻流動,且其水流的垂直流動與板的垂蕩方向一致;升沉板主要通過不對稱渦旋脫落、淺水變形、波浪反射與輻射波轉化等方式消耗孤立波能量;一定條件下,采用最優相對剛度K*=4.0和最優相對潛深d/h=0.52可以取得良好的消浪效果,此時透射系數最小,同時升沉板的運動響應在合理的范圍內。

      關鍵詞:升沉水平板;孤立波;消浪性能;透射系數;相對剛度;相對潛深

      消浪室寬度對可滲明基床開孔沉箱消浪性能影響研究

      趙沛泓,孫大鵬,吳  浩

      (大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連  116024)

      摘要:開孔沉箱是將傳統沉箱的前壁開孔,使沉箱前的入射波浪與反射波浪非同相位疊加,達到消能目的。消浪室是開孔沉箱的重要特征結構,其寬度對開孔沉箱的消浪性能具有重要影響。針對可滲明基床開孔沉箱,賦予消浪室寬度以較大的變化范圍,開展專項物模試驗,研究探討了在規則波與不規則波作用下,相對消浪室寬度對可滲明基床開孔沉箱前波高反射系數的影響規律,發現反射系數隨相對消浪室寬度的增加呈減小—增大—減小的振蕩特性,這一發現有別于前人的研究成果,對工程中開孔沉箱消浪室結構的優化設計具有借鑒意義。同時,對試驗工況進行數值模擬和解析計算,以物模試驗值為標準,評價兩種方法在研究相對消浪室寬度對開孔沉箱波高反射系數影響時的規律把握能力及計算精度,對工程中應用這兩種方法給出相關建議。

      關鍵詞:開孔沉箱;反射系數;相對消浪室寬度;可滲明基床;VARANS方程

      孤立波對礁坪上直墻沖擊試驗和RANS數值模擬

      肖  理1,房克照1,孫家文1,2,范子初3,劉忠波4

      (1. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,DUT-UWA海洋工程聯合研究中心,遼寧 大連  116024;2. 國家海洋環境監測中心,遼寧 大連  116023;3. 國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心站,河北 秦皇島  066002;4. 大連海事大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連  116026)

      摘要:在有、無礁冠兩種典型島礁剖面地形上開展孤立波沖擊礁坪上直墻的二維水槽試驗和數值模擬研究。通過OpenFOAM結合k-ε湍流模型進行RANS數值模擬,基于試驗數據和驗證后的RANS模擬結果,研究了島礁剖面上孤立波傳播的水動力特性及其對直墻的作用,并探討了礁冠的存在對直墻所受沖擊的影響。結果表明:RANS(k-ε)模型能夠準確還原孤立波在島礁地形上的主要傳播特征,但在波浪破碎的情況下,RANS數值模擬不夠精細,尤其對直墻所受瞬擊荷載的捕捉能力欠缺;礁冠的存在,增強了波浪反射,使得波浪提前破碎,減小了直墻上的波浪爬升和最大動壓。

      關鍵詞:孤立波;島礁剖面;直墻;雷諾時均模擬;沖擊作用

      珊瑚島礁孤立波爬坡的平面二維數值模擬研究

      劉林平1,劉維杰1,2,孫志林1

      (1. 浙江大學 海洋學院,浙江 舟山  316021;2. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京  210029)

      摘要:為了探究島嶼周圍珊瑚礁在抵御海嘯災害中的作用,采用激波捕捉類Boussinesq模型FUNWAVE-TVD,對孤立波在理想化三維島礁地形上的傳播及爬坡開展了現場尺度的平面二維數值模擬,分析了入射波高、礁坪水深、礁坪寬度、礁前斜坡坡度、礁后斜坡坡度、珊瑚礁糙率對島嶼四周孤立波爬高分布的影響。結果表明,珊瑚礁的存在總體上可有效降低島嶼四周孤立波的最大爬坡高度;入射波高、礁坪水深、礁坪寬度、珊瑚礁糙率是影響珊瑚島礁四周孤立波爬坡分布的主要因素,島礁四周最大爬坡高度會隨入射波高和礁坪水深的增大、礁坪寬度和珊瑚礁糙率的減小而不斷增大;當礁坪水深增大到一定程度時,珊瑚礁主要會對島嶼背浪面的爬高失去影響,而當礁坪寬度和珊瑚礁糙率減小至一定程度時,會出現島礁四周最大爬高高于無珊瑚礁時爬高的現象;礁后斜坡的變緩會使島礁周圍的最大爬高有所減小,而礁前斜坡坡度對珊瑚島礁周圍的最大爬高幾乎沒有影響。

      關鍵詞:珊瑚島礁;孤立波;最大爬高;礁坪水深;礁坪寬度;海嘯

      風、浪荷載作用下海上風機單樁結構灌漿連接段疲勞性能評價

      黎亞舟1,王  銜1,2,陳  濤2,顧祥林2

      (1. 中交第三航務工程局有限公司,上海  200032;2. 同濟大學 工程結構服役性能演化與控制教育部重點實驗室,上海  200092)

      摘要:灌漿連接段的疲勞性能對于海上風機單樁支撐結構至關重要?;?85種工況下的某實際5 MW單樁風機支撐結構在風、浪荷載作用下的動力響應分析,獲取了灌漿連接段荷載邊界條件時程。建立灌漿連接段精細化有限元子模型,將荷載邊界條件轉化為應力時程。對于剪力鍵采用“熱點應力”方法進行疲勞性能評價。對于灌漿材料,選取剪力鍵附近灌漿材料單元積分點處的第三主應力進行疲勞性能評價。采用Palmgren-Miner線性損傷累計準則和雨流計數方法進行疲勞損傷的累計。在某實際灌漿連接段20年的設計壽命周期內,最大剪力鍵總疲勞損傷為1.35×10-10;最大灌漿材料總疲勞損傷為1.54×10-3。由此可見,灌漿連接段的疲勞性能由灌漿材料控制,且損傷值遠小于限值1/3,在現有的荷載條件下,灌漿連接段不會發生疲勞破壞。分析產生損傷較大的幾種工況可知,風速對現有單樁結構灌漿連接段疲勞的損傷起控制作用。

      關鍵詞:風浪荷載;海上風機;單樁結構;灌漿連接段;疲勞性能評價

      海底防沉板—樁復合基礎承載特性數值分析

      關盛杰1,孔德森1, 2,鞏  越1,趙明凱1

      (1. 山東科技大學 土木工程與建筑學院,山東 青島  266590;2. 山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島  266590)

      摘要:為了研究樁長對海底防沉板—樁復合基礎在水平、彎矩和扭轉荷載作用下承載特性的影響,以我國南海水深200 m的某工程實例為研究對象,利用Flac3D有限差分仿真軟件建立了計算模型。研究了樁長為4 m、6 m和8 m的防沉板—樁復合基礎在水平、彎矩和扭轉荷載作用下的極限承載力和荷載傳遞機理。結果表明,樁長超過6 m時復合基礎的水平承載力顯著增長,在水平加載過程中,防沉板總是先達到極限狀態而破壞,樁基礎的貢獻在加載后期體現,且樁長為4 m、8 m時,樁基礎與防沉板的連接處彎矩最大;隨著樁長的增加,復合基礎的抗彎承載力大幅提高,樁基礎對復合基礎的抗彎承載力貢獻增大,當樁長超過8 m,樁長的增加對提高復合基礎的抗彎承載力意義不大;在彎矩加載過程中,樁長對于防沉板、樁基礎的荷載分配有顯著影響,樁長為4 m時,外荷載主要由防沉板承擔,當樁長超過4 m時,外荷載主要由樁基礎承擔;當扭轉荷載不超過2 100 kN·m時,防沉板承擔主要荷載,直至防沉板達到極限狀態而發生旋轉,隨后樁基礎的承載力逐漸發揮;對于樁長為6 m、8 m的復合基礎,其極限狀態根據防沉板適用性準則確定。

      關鍵詞:防沉板;樁基礎;復合基礎;承載特性;荷載傳遞機理

      基于多階段貝葉斯網絡法的臍帶纜全壽命周期可靠性分析

      張  洲1,夏  冉1,鄭利軍2,馬國印3,張  玉1

      (1.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院,北京  102200;2.中海油研究總院,北京  100027;3.海洋石油工程股份有限公司,天津  300450)

      摘要:臍帶纜是深海油氣開發的關鍵設備之一,是整個水下生產系統的“神經生命線”,主要由鋼管單元、電纜單元、光纜單元、護套及鎧裝單元組成。臍帶纜在全壽命周期經過設計制造、儲存、安裝、在位運行、修復階段,其每個階段的可靠性并不是某個常數,而是隨時間變化的函數,因此有必要對臍帶纜全壽命周期可靠性的變化進行分析。建立了某氣田水下臍帶纜在儲存、安裝、在位運行階段的故障樹模型,將其轉化為多階段貝葉斯網絡模型進行建模分析,基于OREDA手冊數據,假設部件壽命服從指數分布,對臍帶纜存儲、安裝、在位運行階段的可靠性進行分析,得到不同階段臍帶纜可靠性的變化曲線,并與可靠性框圖方法進行對比分析。同時,通過引入條件可靠性對該方法進行了優化,分析臍帶纜修復后的可靠性的變化,以及對臍帶纜關鍵部件進行重要度分析,針對薄弱環節提出改進措施??煽啃苑治隹蔀樗履殠Ю|的安全運行提供技術支持,同時也為海洋結構與設備的全壽命周期可靠性分析提供了一種方法參考。

      關鍵詞:臍帶纜;全壽命;貝葉斯網絡;可靠性分析;深海油氣;水下生產系統

      低雷諾數下圓柱強迫振動特性光滑粒子流體動力學模擬

      趙宇蒙1,2,溫鴻杰3,任  冰1,王  超1

      (1. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連  116024;2. 中國建筑股份有限公司,北京  100029;3. 華南理工大學 土木與交通學院,廣東 廣州  510641)

      摘  要:基于光滑粒子流體動力學(SPH)方法,發展了能夠準確描述水流作用下圓柱強迫振動特性的數學模型。通過引入適合于無網格粒子法的開邊界算法,來模擬出入流邊界條件,建立了具有造流功能的SPH數值水槽。圓柱及計算域的上下邊界均采用修正的動力邊界條件進行模擬。借助于粒子位移矯正和壓力修正算法,避免了圓柱周圍流體粒子壓力大幅震蕩以及結構下游區域出現空腔等非物理性現象。使用典型的圓柱繞流數據,驗證了所建SPH模型的計算性能,研究了固定圓柱在低雷諾數情況下的尾渦脫落模式和升阻力變化規律。明確了低雷諾數下強迫振動圓柱在頻率鎖定以及非鎖定區間內的升力變化規律,量化了升力與外界激勵頻率之間的關系。

      關鍵詞:光滑粒子流體動力學;圓柱繞流;強迫振動;渦脫落模式;激勵頻率

      人工島對沙質海岸動力泥沙環境及岸灘沖淤演變的影響研究

      李松喆

      (天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津  300350)

      摘要:基于歷史海圖、歷史時期衛星遙感影像、2019年實測水下地形和潮流、波浪數值模擬成果,研究該海域岸灘的發育演變背景、海床和岸線自然沖淤動態、動力泥沙環境及岸灘沖淤動力機制。采用LITLINE岸線演變數學模型,模擬計算了不同離岸距離和不同平面形態人工島布置型式對近岸岸線變形的影響,岸灘泥沙動力機制和岸灘演變趨勢表明,人工島實施后近岸最大潮流流速小于近岸泥沙起動流速,不具備起動近岸岸灘泥沙的基本條件,SSE向波浪作用時,人工島西北側波高明顯減弱,波向西偏,S向波浪作用時,人工島北側波高明顯減弱,SSW向波浪作用時,人工島東北側波高明顯減弱,波浪傳播方向東偏,波浪場改變后人工島掩護區東西兩側岸灘附近泥沙分別具有向東和向西運移至人工島掩護區的趨勢,形成掩護區的淤積和東西兩側岸線沖刷。

      關鍵詞:離岸人工島;沙質岸灘;岸灘演變;紅塘灣

      柔性管道骨架層壓潰失效機理和安全評價方法研究進展

      陳嚴飛1,2,劉  昊1,孫偉棟1,董紹華1,覃雯琪3,高莫狄1,馬  尚1

      (1.中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室,北京  102200;2. 大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室,遼寧 大連  116024;3. 中集海洋工程有限公司,廣東 深圳  518000)

      摘要:非黏結柔性管道作為深水油氣開發領域的關鍵設備,是連接海底井口和海洋平臺的主要紐帶。海洋油氣開發水深已經超過了3 000 m,高靜水壓力是深水軟管設計和安全評價的主要挑戰,明確深水柔性管道壓潰失效機理,并準確地預測柔性管道的壓潰壓力可以為柔性管道結構設計和安全評價提供依據,柔性管道的壓潰壓力與骨架層的幾何形狀以及骨架層之間復雜的相互作用有關,準確高效地預測壓潰壓力變得極具挑戰性。針對柔性管道失效機理研究和壓潰壓力預測方法進行了總結,指出當前柔性管道壓潰失效分析中薄弱的環節,為我國非黏結柔性管道的結構設計和安全評價提供參考。

      關鍵詞:柔性管道;骨架層;失效機理;壓潰壓力;安全評價

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