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登錄熱流密度的案例
5種熱源公式 包含 高斯 雙橢球 旋轉(zhuǎn)高斯曲面熱源 高斯圓柱,熱流密度分布均勻的高斯柱體熱源
焊接模擬各種熱源公式.docx
含有 高斯 雙橢球 旋轉(zhuǎn)高斯曲面熱源 高斯圓柱,熱流密度分布均勻的高斯柱體熱源 的熱源公式。
【技術(shù)】天洑智能優(yōu)化案例集錦(1)——芯片散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化
AIPOD作為一款流程自動化的多學(xué)科優(yōu)化軟件,可以基于熱流體仿真軟件軟件的溫度場仿真能力,實現(xiàn)對電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化,為散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供新的思路和方案。
圖1 微通道液冷散熱示意圖
案
性能分析
2.1 平均熱流密度
平均熱流密度是一種直觀的、評價散熱系統(tǒng)好壞的參數(shù)。一般來說,只需要通過仿真軟件中芯片的溫度場的變化情況即可計算流體的平均熱流密度。平均熱流密度越高,表示散熱系統(tǒng)的散熱能力越強。
2.2 壓降損失
壓降損失是由流體在管道內(nèi)流動時克服內(nèi)摩擦力和克服湍流時流體質(zhì)點間相互碰撞并交換動量而引起的,可以有效衡量流體流動過程中的能量損耗。一般來說,散熱系統(tǒng)需要盡可能減少壓降損失,從而減少散熱系統(tǒng)的能量消耗。
AIPOD優(yōu)化散熱器設(shè)計
基于通用的熱流體仿真軟件對溫度場的仿真能力,使用AIPOD搭建了電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的自動化優(yōu)化設(shè)計流程。其中,本案例的設(shè)計參數(shù)包括材料參數(shù)和功耗參數(shù)兩類,優(yōu)化目標(biāo)為最大化平均熱流密度。
展開 Ansys 案例研究 | 太陽能電池板熱吸收仿真分析
在仿真案例中,將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方,指示了穩(wěn)態(tài)下到達(dá)板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流,僅研究輻射效應(yīng)。
目標(biāo)
觀察由于一個發(fā)熱物體的輻射作用,太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
步驟
1. 打開 Ansys Workbench,創(chuàng)建一個穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)(Steady State Thermal Analysis system)。
2. 定義材料屬性。大多數(shù)太陽能電池板由硅制成,此處僅作演示使用硅材料。球體采用鋼材作為材料,用以表示熱源。
3. 導(dǎo)入模型,其外觀如圖1所示。
圖1:太陽能電池板與熱源
4. 為幾何模型賦予材料屬性。
5. 對球體施加10000W/m3 的內(nèi)部熱生成,用以表示發(fā)熱物體;然后在球體表面與太陽能電池板上表面之間定義表面對表面輻射,使熱量通過輻射在這兩個表面之間傳遞,如圖2所示。發(fā)射率取值為0.7,假設(shè)太陽能電池板頂部未覆蓋玻璃蓋板,該值可在0.7至0.95之間變化。環(huán)境溫度設(shè)為220°C。
圖2:內(nèi)部熱生成與輻射邊界條件
6. 對于輻射問題,設(shè)置子步有助于收斂。在分析設(shè)置詳情中定義子步,如圖3所示。
圖3:為分析定義的子步
7. 采用線性網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分并求解分析。得到的太陽能電池板表面的熱流密度矢量圖和溫度分布如圖4和圖5所示。
圖4:熱流密度圖(等軸測視圖與側(cè)視圖)
編輯
跳轉(zhuǎn)
圖5:溫度云圖
總結(jié)
本示例展示了到達(dá)太陽能電池板的熱流密度,以及溫度分布從初始環(huán)境溫度220°C開始的變化。
展開 一分鐘了解穩(wěn)態(tài)熱分析&瞬態(tài)熱分析
2.2.解析解
該模型為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題,從能量守恒方程及基本方程可推出控制微分方程。
1)平衡方程
能量守恒表示能量的變化為零,對于給定熱流密度q(x)、熱流截面積A(x)與外部體積熱流率d(q(x))/dt的軸向熱傳導(dǎo),可寫為:
2)基本方程
根據(jù)熱傳導(dǎo)基本定律(傅里葉定律)的描述:在導(dǎo)熱現(xiàn)象中,單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量,正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。傅里葉定律用熱流密度q(x)表示時的形式如下:
式中,T(x)為溫度,k(x)為熱傳導(dǎo)系數(shù),由上述兩公式得到關(guān)于溫度T(x)的二階微分方程:
3)定解條件
一類邊界條件為溫度邊界:
二類邊界條件為熱流密度邊界:
本例中d(q(x))/dt=0,導(dǎo)熱系數(shù)k、熱流面積A為常數(shù),則由上述公式得到:
代入邊界條件,流入熱量取正值,流出熱量取負(fù)值,方程解為,
熱流密度:
溫度分布函數(shù):
由上述公式代入Q=1W,A=100mm2,L=400mm,k=100 W/(m°C),T(L)=20°C,得到熱流密度q(x)=104W/m2,溫度分布函數(shù)T(x)=-100x+60,最高溫度T(0)=60°C。
2.3.有限元解
1)材料定義
對于穩(wěn)態(tài)熱分析,僅需定義熱導(dǎo)率(Conductivity)。
2)分析步設(shè)置
定義穩(wěn)態(tài)傳熱分析步。
3)邊界條件和載荷
左端點設(shè)置熱流率(Concentrated heat flux);右端點設(shè)置溫度邊界。
展開 
關(guān)于熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力有限元分析清單
1、熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ):
1.根據(jù)能量守恒定律,可以建立熱傳導(dǎo)微分方程(拋物線型微分方程,傅立葉方程):
其中 c為體積比熱(J/m3·K)
Q為物體內(nèi)部單位體積的熱生成率(W/m3)
q是熱流密度(W/m2)
t為時間(s)
2.是單位時間體積傳導(dǎo)到物體的熱量(外因)
是熱源強度(單位時間體積內(nèi)熱源生成的熱量)(內(nèi)因)
是單位時間體積溫度升高所需的熱量(結(jié)果)
這個方程表示在單位時間內(nèi)物體用于溫度升高所需要的熱量等于外部傳入的熱量與內(nèi)部熱源提供熱量之和,即熱量對溫度的影響,熱量是因,溫度是果。
3.根據(jù)Fourier定律,熱流密度可用溫度梯度表示成:
其中k為材料的熱傳導(dǎo)率(W/m·K)
代入熱傳導(dǎo)拋物線型方程,得到微分方程:
這個微分方程的被求函數(shù)就是溫度
4. 對于一般的工程問題,熱傳導(dǎo)率k通常為常數(shù);且結(jié)構(gòu)本身不產(chǎn)生熱量,熱量多是由外界傳入,所以Q=0,這樣瞬態(tài)溫度場微分方程為:
當(dāng)溫度不再隨時間變化,得到穩(wěn)態(tài)溫度場微分方程:
5. 第一類邊界條件:給定邊界上的分布溫度,即
第二類邊界條件:給定邊界上的熱流密度(溫度梯度),即
第三類邊界條件:在邊界處與周圍介質(zhì)存在熱交換,包含邊界溫度和溫度梯度,是一種混合邊界,即
6. 對流傳熱邊界條件(牛頓冷卻定律):
7. 輻射傳熱邊界條件(斯特藩-玻爾茲曼定律):
2、熱傳導(dǎo)有限元分析理論
1.結(jié)點坐標(biāo)向量:
結(jié)點溫度向量(計算對象):
結(jié)點熱流密度向量:
熱傳導(dǎo)單元
2.
展開 焊接中的高斯熱源
將高斯熱源的溫度分布用公式表達(dá)為下式:
其中q為熱流密度,Q為高斯分布下的最大熱流密度,R是距熱源中心的距離,r是熱源的半徑,下面以一個長寬均為0.1m,厚度為0.004m板的焊接為例來說明高斯熱源的加載方法。
從上圖可見,熱源要加載的面是板的上表面,焊接方向是沿著y方向,板厚方向為z向,熱源加載的初始點的坐標(biāo)為(0.05,0,0.004),那么根據(jù)高斯熱源的熱流密度表達(dá)公式可知,在初始加載位置的熱流密度分布可以用下式表達(dá):
剛才說明過R為距熱源中心的距離,那么上式中R^2=(x-0.05)^2+(y-0)^2,為中學(xué)學(xué)過的兩點之間的距離公式,為何里面不涉及到z坐標(biāo)呢?是因為熱源加載的面是板的上表面,其實已經(jīng)暗含z的坐標(biāo)就是固定的了,所施加的是一個xoy面內(nèi)熱源分布,所以與z坐標(biāo)無關(guān)。
那么接下來就是如何實現(xiàn)熱源移動的問題了,熱源移動肯定是與速度有關(guān),速度為0自然就是靜態(tài)的熱源分布,速度大于0才是一個移動的熱源,那么與速度有關(guān)就是等效地說與時間有關(guān),在ANSYS中時間{TIME}正好是一個變量,所以如何在公式中體現(xiàn)呢?
假設(shè)20秒完成熱源從y=0mm到y(tǒng)=0.1mm整個焊接路徑,那么焊接速度就是v=0.1/20=0.005m/s,那么時間為 {TIME}時熱源中心的坐標(biāo)就是(0.05,0.005* {TIME},0.004),那么對應(yīng)的R^2就可以用公式表達(dá)出來,就是:
2.高斯熱源公式編譯
上述過程已經(jīng)建立起了高斯熱源的加載公式,那么如果想要在workbench中加載該熱源需要通過APDL進(jìn)行編譯成命令流后再回到workbench中以命令流的方式進(jìn)行熱源加載。
展開 ansys,熱流密度以數(shù)組形式加載的過程。
建立了數(shù)組,用GUI加載的過程
轉(zhuǎn),穩(wěn)態(tài)傳熱分析
Command Family: SF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection
d、熱流密度
熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計算得到時,可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正,代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實體和殼單元。熱流密度與對流可以施加在同一外表面,但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計算。
Command Family: F
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux
e、生熱率
生熱率作為體載施加于單元上,可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。
Command Family: BF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat
③、確定載荷步選項
對于一個熱分析,可以確定普通選項、非線性選項以及輸出控制。
a. 普通選項
· 時間選項:雖然對于穩(wěn)態(tài)熱分析,時間選項并沒有實際的物理意義,但它提供了一個方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。
Command: TIME
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
· 每載荷步中子步的數(shù)量或時間步大小:對于非線性分析,每一載荷步需要多個子步。
展開 star-ccm+管內(nèi)換熱知識之關(guān)于對流換熱系數(shù)的解釋
對流換熱是指發(fā)生于運動流體和固體壁面之間的熱交換現(xiàn)象。
對流換熱強度由牛頓冷卻定律來確定:
qs=h(T。-Trer)(1)
式中,qs為熱流密度,h為對流換熱系數(shù),T為固體壁面溫度,Trer為運動流體的特征溫度(參考溫度)。
在上述公式中,熱流密度和溫差之間呈現(xiàn)一個簡單的線性關(guān)系,但是,在真實的對流換熱中,由于壁面處的流動處處不同,造成q和h在壁面的分布也不相同。更為重要的是,對流換熱系數(shù)的定義必須依賴于給定的參考溫度,因此,對于相同的熱流密度來說,存在多種對流換熱系數(shù)和參考溫度的組合。
傳統(tǒng)上,換熱系數(shù)數(shù)據(jù)來源于實驗。但是,邊界層理論(位于表面附近的流體層,其中粘度和導(dǎo)熱的影響占主導(dǎo)地位)的發(fā)展使得我們能夠用分析的方法計算對流換熱系數(shù)。因此,在STAR-CCM中,使用邊界層理論來計算對流換熱系數(shù)。因此,在 STAR-CCM+中,模擬對流換熱系數(shù)的概念核心來源于標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)( standard wall!function,SWF),熱流密度的公式為
公式中的參數(shù)解釋如下:
聯(lián)立公式(1)和(2)即可求得對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)總是與參考溫度成對出現(xiàn)的,不能只說對流換熱系數(shù)而不說明參考溫度。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(SWF)是一組半經(jīng)驗函數(shù),用于描述近壁區(qū)域(邊界層)中的流動現(xiàn)象。該模型使用層流/湍流 Randt數(shù)、無量綱近壁面速度、湍流能量來描述T和α
在本節(jié)中,我們討論關(guān)于準(zhǔn)確使用SWF和上述內(nèi)置后處理傳熱系數(shù)的建議,但重申STAR-CCM+總是使用公式(2)來求解表面局部熱通量。這個表達(dá)式體現(xiàn)了重要的邊界層概念,
用戶需要遵循建議以確保其正確應(yīng)用該模型。
展開 利用Abaqus用戶子程序?qū)崿F(xiàn)制動盤熱分析中的熱源移動
在進(jìn)行制動器熱分析時,若要分析整個制動過程或多次制動后的結(jié)果,直接采用接觸摩擦生熱的方式受到制動時間以及大位移接觸的影響,計算較困難,若采用結(jié)構(gòu)靜態(tài)傳熱又無法實現(xiàn)隨制動盤的轉(zhuǎn)動熱源的移動。Abaqus中可通過對結(jié)構(gòu)設(shè)置質(zhì)量流率(MASS FLOW),采用熱傳導(dǎo)分析實現(xiàn)熱源移動。需要注意的是,MASS FLOW不支持CAE,需要通過關(guān)鍵字設(shè)置。下面以汽車制動盤熱分析說明整個過程及MASS FLOW的使用方法。
首先僅建立制動盤的模型即可,不需要制動片模型。如下圖所示:
分別設(shè)置制動盤的材料屬性,設(shè)置熱傳導(dǎo)分析步(Heat transfer)。邊界為初始溫度場,對流換熱、熱輻射等。載荷為表面熱流密度,施加在初始制動片與制動盤接觸的面積內(nèi)。其中需要考慮熱流密度隨制動盤速度的變化,對流換熱系數(shù)隨速度的變化,以及對流換熱系數(shù)沿制動盤徑向的變化等。如下圖所示為熱流密度施加的區(qū)域。
接著設(shè)置質(zhì)量流率(MASS FLOW),首先需要指定質(zhì)量流率施加的區(qū)域,此模型中選擇制動盤的所有節(jié)點,將其設(shè)置為一個set,給定相應(yīng)的name(后續(xù)將用到此set)。確認(rèn)材料、分析步、邊界、載荷等設(shè)置正確后可輸出inp文件添加質(zhì)量流率關(guān)鍵字或直接在CAE中添加關(guān)鍵字。
在step后添加關(guān)鍵字,如下圖所示。添加完成后保存inp文件。
接著是最關(guān)鍵的部分,質(zhì)量流率需要使用用戶子程序?qū)崿F(xiàn),子程序中需要給出由制動盤速度變化引起的質(zhì)量流率的變化,以及沿制動盤徑向的質(zhì)量流率的變化,同時若為多次制動,需要區(qū)分制動、停止的過程,僅在制動過程施加質(zhì)量流率。具體的用戶子程序如下所示:
用戶子程序
求解時調(diào)用此子程序計算即可。整個分析過程可看到熱源在制動盤上移動,計算后的溫度場結(jié)果如下圖所示。
來源:有限元在線的博客,版權(quán)歸作者所有。
展開 面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
面向余熱回收的金剛石納米流體重力熱管強化傳熱研究
然而,關(guān)于金剛石-水納米流體在重力熱管中的傳熱行為及其傳熱性能演變機制的相關(guān)研究尚不充分,充液率、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱流密度對于傳熱性能的影響規(guī)律尚需進(jìn)一步探究。 02 成果掠影 南京航空航天大學(xué)徐九華教授團隊研究了金剛石-水納米流體重力熱管內(nèi)部工質(zhì)流動傳熱狀態(tài),進(jìn)而分析了其傳熱行為。該研究闡明了金剛石-水納米流體充液率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流型的影響規(guī)律。通過正交試驗發(fā)現(xiàn)熱流密度是影響傳熱性能最主要的因素,其次是充液率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外,優(yōu)選出充液率為20%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的重力熱管在20×104 W/m2熱流密度下具有最佳的傳熱性能,等效換熱性能達(dá)到3485 W/(m2·℃)。該研究為深入理解金剛石-水重力熱管傳熱行為,同時提高重力熱管在余熱回收中的傳熱性能提供了理論基礎(chǔ)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究成果以“Heat transfer enhancement by diamond nanofluid in gravity heat pipe for waste heat recovery”為題發(fā)表于《Functional Diamond》。 03 圖文導(dǎo)讀 圖1. GHP傳熱工藝示意圖。 表1. 金剛石納米流體的關(guān)鍵熱物理性質(zhì). 圖2. 納米金剛石分布。 圖3. 實驗設(shè)置示意圖。 表2. 實驗條件。 圖6. 溫室氣體的流動模式填充:(a)去離子水,(b) 0.5 w.t.%,(c) 1 w.t.%,(d) 2 w.t.%金剛石納米流體。 表3. 三個因素及相應(yīng)的水平值。 表4. L18(43)正交實驗表。 表5. 實驗結(jié)果和范圍分析。 圖7. 不同因子水平下等效傳熱系數(shù)平均值的變化趨勢。 END ★ 平臺聲明 部分素材源自網(wǎng)絡(luò),版權(quán)歸原作者所有。分享目的僅為行業(yè)信息傳遞與交流,不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適,請聯(lián)系我們及時處理。歡迎參與投稿分享!
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從入門到精通 | LS-DYNA案例學(xué)習(xí)系列V
模型是一個簡單的屋頂結(jié)構(gòu),由鋁外層、隔熱層和木板組成,木材表面的內(nèi)部溫度保持恒定293.15K (20℃) ,外部環(huán)境溫度也恒定273.15 K (0℃):
用五個相同的頂板截面,在鋁外層表面分別定義5種不同的熱對流,熱輻射邊界條件進(jìn)行對比;
進(jìn)行瞬態(tài)熱計算。
完整展示:LS-DYNA熱輻射和對流分析案例??
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案例23:LS-DYNA熱接觸與熱流密度分析案例
模型說明:演示利用LS-DYNA求解包含熱接觸和熱流密度邊界條件的分析方法。通過施加熱流密度的邊界條件對熱板進(jìn)行加熱,該熱板頂部的滑塊可以通過接觸來交換熱量:
滑塊1與熱板直接接觸,通過熱傳導(dǎo)交換熱量;
滑塊2非常接近熱源(1mm),并通過簡化的熱對流和輻射公式交換熱量;
滑塊3位于接觸范圍之外(3mm),不交換熱量。
完整展示:LS-DYNA熱接觸與熱流密度分析案例??
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展開 系統(tǒng)仿真軟件Amesim學(xué)習(xí) 空調(diào)系統(tǒng) amesim教程空調(diào)
一、再談熱管理基礎(chǔ)
1. 導(dǎo)熱與熱流
導(dǎo)熱概念:φ = -λ×A×(dt/dx),代表單位時間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量與當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓室约捌桨迕娣eA成正比,其中λ為熱導(dǎo)率,也叫導(dǎo)熱系數(shù),公式中負(fù)號代表熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。
λ參數(shù)(W/Mk)常見的純鋁為237,純銅為401,鋼為36~54,ABS為0.25,PP為0.21~0.26,橡膠為0.19~0.26,玻璃為0.5~1等等,同一材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度等有關(guān)。
一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:
q = φ/A = λ×(dt/dx)
熱流量(電流):單位時間內(nèi)通過一定面積的熱量
熱流密度(面積熱流量):電流密度:單位時間內(nèi)通過單位面積的熱流量,單位W/m2。
一個小例子:已知某材料厚度為25cm,內(nèi)外表面溫度為25℃和30℃,計算壁內(nèi)的溫度分布和通過的熱流密度
Step1:選擇材料
注:材料選擇“User define”,Type of definition 選擇constant value,熱換效率選擇0.87。
Step2:點擊換熱元件,選擇平面類型換熱(還有圓柱等等類型,之前說過)
Step3:面積設(shè)置1平方米,厚度250mm
Step4:仿真:
結(jié)果為-17.4w/m2,這個和使用公式計算結(jié)果相同。
可以根據(jù)產(chǎn)品的表面積和溫升要求推算材料采用何種換熱模式:
2. 對流
指由于流體宏觀運動,從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移,冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程,僅發(fā)生在流體中,對流的同時必然伴隨導(dǎo)熱現(xiàn)象。
根據(jù)對流是否發(fā)生相變分有相變的對流換熱和無相變的對流換熱;根據(jù)引起流動原因分自然對流和強制對流。
展開 基于optistruct熱固耦合分析案例-01 ¥3
本案例主要是基于optistruct對充電寶進(jìn)行簡單的熱應(yīng)力分析,涉及到的主要知識點:材料導(dǎo)熱系數(shù)的建立、熱約束創(chuàng)建、熱流密度載荷的創(chuàng)建、材料熱膨脹系數(shù)創(chuàng)建、熱固耦合分析步的創(chuàng)建等。
約束及加載如下圖所示:
分析結(jié)果如下:
熱流密度分布
溫度分布
溫度梯度分布
位移云圖
應(yīng)力云圖
本案例目的在于學(xué)習(xí)如何在optistruct中做簡單的熱固耦合分析,具體操作及模型文件見收費內(nèi)容部分,凡購買本案例的朋友仿真操作實現(xiàn)中有什么問題可私信。
展開 基于optistruct熱固耦合分析案例-01
本案例主要是基于optistruct對充電寶進(jìn)行簡單的熱應(yīng)力分析,涉及到的主要知識點:材料導(dǎo)熱系數(shù)的建立、熱約束創(chuàng)建、熱流密度載荷的創(chuàng)建、材料熱膨脹系數(shù)創(chuàng)建、熱固耦合分析步的創(chuàng)建等。
約束及加載如下圖所示:
分析結(jié)果如下:
熱流密度分布
溫度分布
溫度梯度分布
位移云圖
應(yīng)力云圖
本案例目的在于學(xué)習(xí)如何在optistruct中做簡單的熱固耦合分析,再次申明本案例僅用于學(xué)習(xí)交流,不用于營利!寫帖子也挺辛苦的,需要本案例模型的朋友請主動點一個贊,點一下關(guān)注,留下你的郵箱,集滿60個贊,模型將統(tǒng)一以郵件形式發(fā)給大家,謝謝!
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