船用隔振結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 浩， 王朝杰， 楊 峰， 張 翠

(1.北京環(huán)境強(qiáng)度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司， 湖北 武漢 430056)

船用隔振結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 浩1,2， 王朝杰1,2， 楊 峰1,2， 張 翠2

(1.北京環(huán)境強(qiáng)度研究所， 北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司， 湖北 武漢 430056)

為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同船用隔振結(jié)構(gòu)的隔振效果進(jìn)行評(píng)估與研究，提出一種隔振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。利用該系統(tǒng)，研究者可通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)理論研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，在完善相關(guān)理論研究的同時(shí)，也為工程上隔振設(shè)計(jì)與制造優(yōu)化提供參考。

船用裝置；隔振效果；試驗(yàn)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方案

0 引言

隨著艦船、潛艇向大型化、高速化方向發(fā)展，船用設(shè)備的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。船舶水下輻射噪聲主要有三大類：結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲，其中結(jié)構(gòu)噪聲即船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)向水下輻射的噪聲，是主要的噪聲源之一[1]。隨著造船業(yè)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼的使用以及為減輕質(zhì)量而采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施使得船舶易于發(fā)生振動(dòng)[2]。而艦船、潛艇等軍用船舶的聲隱身能力又是關(guān)系其生命力和戰(zhàn)斗力的重要因素，因此，通過(guò)減、隔振技術(shù)降低船舶振動(dòng)噪聲水平是非常重要的任務(wù)[3-4]。目前，減、隔振系統(tǒng)已在工程實(shí)踐中大量應(yīng)用，減、隔振技術(shù)已經(jīng)成為船舶機(jī)械振動(dòng)噪聲控制的核心技術(shù)之一[5-6]。

通過(guò)多年研究，船用隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論已經(jīng)較為成熟，但工程中各類隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化仍以分析計(jì)算為主，模擬實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少[3,7-10]。而分析計(jì)算在模型、邊界條件、計(jì)算參數(shù)等各方面均存在精度問(wèn)題[11]，所得結(jié)果準(zhǔn)確度無(wú)法保證。本文提出一種船用隔振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，首次使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵(lì)，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔振結(jié)構(gòu)的模擬及其隔振效果的評(píng)估與研究，完善相關(guān)理論研究，為工程中的隔振設(shè)計(jì)與制造優(yōu)化提供有力支撐。

1 船用隔振結(jié)構(gòu)

船用隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要可分為3種：?jiǎn)螌痈粽?、雙層隔振以及浮筏隔振技術(shù)[4,5,12]。

單層隔振示意圖如圖1所示。設(shè)備通過(guò)隔振器與船體連接，當(dāng)激勵(lì)頻率較大時(shí)，隔振效果較好，因而在船舶上其被普遍采用。

圖1 單層隔振示意圖

雙層隔振示意圖如圖2所示。設(shè)備通過(guò)隔振器與一層臺(tái)板連接，臺(tái)板再通過(guò)減振器與船體連接，形成雙層隔振。雙層隔振效果一般比單層隔振效果好，但臺(tái)板質(zhì)量要求較大，且在激勵(lì)頻率小于二次諧振頻率時(shí)，隔振系統(tǒng)的傳遞率將變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)，不但起不到隔振效果，還會(huì)產(chǎn)生反作用。

圖2 雙層隔振示意圖

浮筏隔振示意圖如圖3所示。浮筏隔振可看成是多級(jí)雙層隔振裝置。多臺(tái)設(shè)備通過(guò)隔振器或直接剛性連接在臺(tái)板即筏體上，筏體再通過(guò)減振器與船體連接。浮筏隔振裝置能利用浮筏和其他設(shè)備的質(zhì)量效應(yīng)減少隔振裝置的總質(zhì)量，但浮筏結(jié)構(gòu)尺寸較大，會(huì)引入彈性變形等影響，從而增加分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

圖3 浮筏隔振示意圖

針對(duì)以上隔振結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的隔振評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3種：振級(jí)落差、插入損失和力傳遞率。振級(jí)落差是被隔離體的振動(dòng)響應(yīng)與對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)有效值之比；插入損失是采取隔振措施前后基礎(chǔ)響應(yīng)的有效值之比；力傳遞率是被隔振體的動(dòng)態(tài)力輸出與對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)收到的動(dòng)態(tài)力激勵(lì)之比。3個(gè)指標(biāo)單位均為dB。以上3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系和適用范圍，對(duì)于不同質(zhì)量的基礎(chǔ)應(yīng)采用不同的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[13-14]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)與要求

如在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行減、隔振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)模擬并評(píng)估其隔振效果，應(yīng)具備三大功能模塊：一是各類型減、隔振結(jié)構(gòu)裝置的模擬；二是各類型設(shè)備機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)的模擬；三是系統(tǒng)關(guān)鍵物理量的采集與隔振效果分析。

各類型減、隔振結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和尺寸均不相同，為保證試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性，隔振結(jié)構(gòu)平臺(tái)采用自由拼接臺(tái)板和不同規(guī)格隔振器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)臺(tái)板和隔振器不同的組合方式實(shí)現(xiàn)對(duì)單層隔振裝置、雙層隔振裝置和浮筏隔振裝置的模擬。

各類型船用設(shè)備(振源)的質(zhì)量、振動(dòng)頻率等特性不同，傳統(tǒng)的偏心電機(jī)模擬方式頻率范圍較窄，存在較大局限性。本設(shè)計(jì)方案巧妙利用反作用力原理，使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)作為模擬振源發(fā)生器，具有激勵(lì)范圍廣、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。同時(shí)，配合MIMO振動(dòng)控制儀的使用，可實(shí)現(xiàn)各類型復(fù)雜工況以及其他組合工況的模擬。

隔振系統(tǒng)的評(píng)估需要獲得系統(tǒng)的振級(jí)落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等性能參數(shù)。本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)鍵物理量的采集與分析功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由傳感器組、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析軟件組成，能監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)加速度、位移、力等信號(hào)。

2.2 模擬臺(tái)板設(shè)計(jì)

模擬臺(tái)板設(shè)計(jì)為兩層，每層均由2塊～3塊可自由拼裝的分體模塊組合。振源與臺(tái)板之間、兩層臺(tái)板之間、臺(tái)板和試驗(yàn)系統(tǒng)地基的T型槽臺(tái)板之間均可連接任意數(shù)量和規(guī)格的隔振器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單層隔振裝置、雙層隔振裝置和浮筏隔振裝置的模擬。臺(tái)板采用板梁蜂窩結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，可在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的同時(shí)有效降低質(zhì)量，同時(shí)在結(jié)構(gòu)中可通過(guò)質(zhì)量塊的形式靈活調(diào)整臺(tái)板的總質(zhì)量和質(zhì)量分布，增加適用范圍。

圖4 臺(tái)板示意圖

上層臺(tái)板最大拼裝尺寸為3.45 m×3.45 m×0.30 m，臺(tái)板主體為碳鋼型材，翼板厚12 mm，腹板厚8 mm，質(zhì)量約為2.45 t，帶網(wǎng)格狀安裝螺孔。一階模態(tài)頻率為44.8 Hz，當(dāng)上表面承受30 t重物時(shí)，最大應(yīng)變≤0.18 mm，最大應(yīng)力≤32 MPa，安全因子為7.3。

下層臺(tái)板最大拼裝尺寸為4.20 m×4.20 m×0.35 m，臺(tái)板主體為碳鋼型材，翼板厚14 mm，腹板厚8 mm，質(zhì)量約為4.13 t，帶網(wǎng)格狀安裝螺孔。一階模態(tài)頻率為36.3 Hz，當(dāng)上表面承受40 t重物時(shí)，最大應(yīng)變≤0.2 mm，最大應(yīng)力≤33 MPa，安全因子為7.1。圖5為臺(tái)板位移與應(yīng)力云圖。

圖5 臺(tái)板位移與應(yīng)力云圖

考慮將下層臺(tái)板作為船體模擬海洋環(huán)境時(shí)，下層臺(tái)板下方若使用剛度較小的隔振器，臺(tái)板會(huì)產(chǎn)生較大的位移，因此設(shè)置有水平和垂直限位裝置。

垂直限位裝置采用在下層臺(tái)板下方安裝氣囊臺(tái)板的方式，在臺(tái)板靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，該氣囊放置于臺(tái)板下方，但不與臺(tái)板接觸，留有一定高度空間h。當(dāng)臺(tái)板在工作狀態(tài)垂向向下的位移超過(guò)h時(shí)，下限位氣囊與臺(tái)板接觸，防止臺(tái)板位移過(guò)大而產(chǎn)生危險(xiǎn)。水平限位裝置采用下層臺(tái)板四周氣囊連接限位桁架的方式，限制其水平移動(dòng)范圍。垂直限位和水平限位裝置如圖6所示。

2.3 模擬振源設(shè)計(jì)

設(shè)備機(jī)械振動(dòng)一般來(lái)源于電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、帶壓管路和其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)，因設(shè)備的復(fù)雜性不同而不同，且多臺(tái)設(shè)備之間會(huì)相互影響。傳統(tǒng)模擬方式為偏心電機(jī)，特點(diǎn)是安裝靈活、使用方便，但模擬工況比較單一，且模擬振動(dòng)頻率范圍小，只能達(dá)到100Hz左右。

本方案設(shè)計(jì)首次使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵(lì)，充分發(fā)揮電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)范圍廣、靈活度高的特點(diǎn)，可模擬正弦、隨機(jī)、沖擊以及正弦疊加隨機(jī)、隨機(jī)疊加隨機(jī)等工況，模擬頻率范圍可達(dá)2～2 700Hz。配合MIMO振動(dòng)控制儀，還可實(shí)現(xiàn)各類型復(fù)雜工況以及其他組合工況。

垂直激振時(shí)，在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈加裝配重，以增加振源運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量。通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量和激振加速度來(lái)調(diào)節(jié)振源慣性力大小，根據(jù)作用力與反作用力原理，即可實(shí)現(xiàn)振源對(duì)臺(tái)板的激振力調(diào)節(jié)。水平激振時(shí)，因振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈抗傾覆力矩有限，配重不可直接安裝。本方案設(shè)計(jì)有滑動(dòng)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊下有平臺(tái)承擔(dān)其重力，以消除對(duì)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈的傾覆力矩。

此外，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)還配置有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和反作用力監(jiān)測(cè)傳感器，激振力方向在0°～90°范圍無(wú)級(jí)可調(diào)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激振力曲線。模擬振源結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模擬振源結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已有成熟的商業(yè)硬件和軟件提供，選用合適的傳感器和采集卡即可獲得加速度、位移等物理量的采集。本方案設(shè)計(jì)使用符合最新PXI規(guī)范的NI機(jī)箱、控制器和采集模塊，配合加速度傳感器、激光位移傳感器、力傳感器等來(lái)獲取試驗(yàn)系統(tǒng)的各物理參數(shù)。物理參數(shù)主要包括模擬設(shè)備傳至臺(tái)板的動(dòng)態(tài)力、各臺(tái)板的位移和加速度響應(yīng)、地基的位移和加速度響應(yīng)、臺(tái)板之間的動(dòng)態(tài)力、被測(cè)試隔振器的受力等。獲得以上參數(shù)后，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)分析軟件，計(jì)算得到試驗(yàn)系統(tǒng)的振級(jí)落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等性能參數(shù)。

2.5 隔振地基設(shè)計(jì)

為了更加精確地獲得減、隔振結(jié)構(gòu)模型的隔振參數(shù)，同時(shí)減少試驗(yàn)系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互影響，試驗(yàn)系統(tǒng)地基采用彈簧阻尼隔振地基。隔振地基主體由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，地基主體下方設(shè)有安全塊，方便安裝的同時(shí)能有效避免整體坍塌風(fēng)險(xiǎn)。地基主體通過(guò)彈簧阻尼器與承力墻連接，地基主體上方裝有鑄鐵臺(tái)板，臺(tái)板帶有T型槽，方便拆裝模擬試驗(yàn)裝置。圖8為地基示意圖。

圖8 地基示意圖

地基有效使用面積為8m×8m，設(shè)計(jì)質(zhì)量350t，有效載重50t。通過(guò)調(diào)整彈簧阻尼器的阻尼，可實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)頻率在20～3 000Hz時(shí)，隔振效果達(dá)到27dB以上。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

3.1 室內(nèi)大型試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)地基有效使用面積為8m×8m，設(shè)計(jì)載重50t。單層模擬臺(tái)板有效尺寸為4.2m×4.2m，設(shè)計(jì)載重40t。雙層模擬臺(tái)板有效尺寸為3.45m×3.45m，設(shè)計(jì)載重30t?？稍谑覂?nèi)模擬較大型設(shè)備減隔振平臺(tái)。

3.2 模擬臺(tái)板靈活多變

(1) 模擬臺(tái)板采用分體式設(shè)計(jì)，可根據(jù)各類研究項(xiàng)目或工程需要自由選擇不同尺寸組合使用模擬。通過(guò)單層、雙層以及多層組合，可模擬單層隔振、雙層隔振以及復(fù)雜多變的浮筏隔振結(jié)構(gòu)。

(2) 臺(tái)板的拼接方式采用腹板螺接和翼板加強(qiáng)，保證臺(tái)板連接強(qiáng)度的同時(shí)，還能保證其彎曲剛度，使分體式組合臺(tái)板的力學(xué)性能與一體式臺(tái)板基本相當(dāng)。

(3) 臺(tái)板側(cè)方和下方設(shè)有空氣彈簧限位裝置，可防止臺(tái)板位移過(guò)多出現(xiàn)危險(xiǎn)，同時(shí)下方空氣彈簧還可以用于模擬船舶海洋環(huán)境。

(4) 臺(tái)板為蜂窩結(jié)構(gòu)，可在中空部位靈活增加配重，以模擬實(shí)際臺(tái)板質(zhì)量分布。

3.3 通用產(chǎn)品接口

地基上表面設(shè)計(jì)有T型槽，模擬臺(tái)板上、下表面設(shè)計(jì)有通用腰型連接口，可安裝各類型減振器基座，通用性強(qiáng)。

3.4 振源激勵(lì)功能強(qiáng)

首次使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬船用設(shè)備，利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵(lì)，激勵(lì)方式多樣，激勵(lì)力和頻率范圍廣。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)還配置有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和反作用力監(jiān)測(cè)傳感器，激振力方向在0°～90°范圍無(wú)級(jí)可調(diào)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激振力曲線。多臺(tái)振動(dòng)臺(tái)組合還可實(shí)現(xiàn)不同方向同時(shí)激勵(lì)。

3.5 分析系統(tǒng)功能強(qiáng)

在已有的采集模塊功能基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加沖擊響應(yīng)譜分析、基于雨流計(jì)數(shù)的疲勞分析、隔振效果分析等功能模塊，可快速獲得隔振系統(tǒng)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)。

3.6 性能指標(biāo)

本試驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

(1) 減隔振結(jié)構(gòu)模擬類型：?jiǎn)螌痈粽?、雙層隔振、浮筏隔振。

(2) 模擬臺(tái)板有效尺寸：?jiǎn)螌?.2m×4.2m，雙層3.45m×3.45m。

(3) 臺(tái)板最大承載質(zhì)量：30t。

(4) 臺(tái)板配重：100～6 000kg。

(5) 動(dòng)態(tài)激勵(lì)力大?。?～200kN。

(6) 激勵(lì)頻率：2～2 700Hz。

(7) 激勵(lì)方向：任意方向。

從圖3可知沙縣竹炭板鴨在PC1上得分較高，白市驛板鴨在PC2上得分較高，南安板鴨在PC1和PC2上的得分均較高，原因可能是特征性風(fēng)味物質(zhì)種類多且含量較高。南京板鴨、揚(yáng)州板鴨與雷官板鴨相隔較近，說(shuō)明其相關(guān)性較大。從圖3(b)中可以看出，己醛、壬醛與醛類距離很近，表明他們之間相關(guān)性很大，即己醛、壬醛可以反映大部分醛類在香氣方面的貢獻(xiàn)。脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的壬醛、己醛通常能在干腌肉質(zhì)品中檢測(cè)到，并且具有花香，青香和果香，有助于整體香味的形成。圖3(b)和圖4顯示F1（己醛）、F2（壬醛）、F4（(Z)-2-庚烯醛）和F9（1-辛烯-3-醇）相關(guān)性很大，說(shuō)明在板鴨中含量較高。

(8) 激勵(lì)類型：正弦、隨機(jī)、沖擊、長(zhǎng)時(shí)波形復(fù)現(xiàn)、正弦+正弦、正弦+隨機(jī)、隨機(jī)+隨機(jī)、正弦+隨機(jī)+隨機(jī)。

(9) 評(píng)價(jià)指標(biāo)：振級(jí)落差、插入損失、力傳遞率、傳遞函數(shù)、阻尼、頻響等。

(10) 功能拓展：沖擊響應(yīng)譜分析、疲勞分析。

4 結(jié)論

為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同船用隔振結(jié)構(gòu)的隔振效果進(jìn)行評(píng)估與研究，提出了一種大型隔振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬單層、雙層以及浮筏類隔振結(jié)構(gòu)，并能獲得隔振系統(tǒng)的振級(jí)落差、插入損失和力傳遞率等指標(biāo)，可以綜合評(píng)估系統(tǒng)隔振效果。本設(shè)計(jì)方案首次使用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬船用設(shè)備，巧妙利用反作用力原理模擬船用設(shè)備的振源激勵(lì)，充分發(fā)揮了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)針對(duì)船用隔振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了采集與分析系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，使整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)具有了更好的模擬能力和分析評(píng)估能力。

本文試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是航天試驗(yàn)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，使得在實(shí)驗(yàn)室完成大型隔振結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究成為可能，具有一定的研究與工程實(shí)用意義。同時(shí)，筆者希望通過(guò)對(duì)此類試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究，能夠逐步改善船用隔振結(jié)構(gòu)的研究計(jì)算分析多而模擬實(shí)驗(yàn)少的現(xiàn)狀。

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Laboratorial Vibration Response Test System Design of Vibration Isolation Structure

LIU Hao1,2， WANG Chaojie1,2， YANG Feng1,2， ZHANG Cui2

(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;2.Tianjin Aerospace Reliability Technology Co., Ltd., Wuhan 430056, Hubei, China)

In order to evaluate the vibration isolation effect of different marine vibration isolation systems in the laboratory, a laboratorial vibration response test system design is developed which can evaluate the vibration isolation effect of the vibration isolation structure. With this system, researchers can actually validate theoretical research and design through the experimental ways which can improve the relevant theoretical research and provide reference for vibration isolation design and manufacture optimization.

marine structure; vibration isolation effect; test system; design

劉 浩(1987-)，男，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境與可靠性試驗(yàn)技術(shù)。

1000-3878(2017)01-0012-06

U662

A