第十三章動(dòng)載荷、交變應(yīng)力概述概述動(dòng)載荷——隨時(shí)間作急劇變化的載荷作加速運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)中構(gòu)件的慣性力構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為動(dòng)應(yīng)力動(dòng)應(yīng)力沖擊載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力稱為沖擊應(yīng)力隨時(shí)間作交替變化的載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力概述疲勞破壞——構(gòu)件在交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,雖然最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度,并且沒有明顯的塑性變形,但材料往往發(fā)生突然斷裂,這種破壞成為疲勞破壞交變應(yīng)力作用下的構(gòu)件還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核動(dòng)應(yīng)力的嚴(yán)格分析和研究應(yīng)采用應(yīng)力波的理論和方法,這里只討論若干簡(jiǎn)化的分析方法動(dòng)應(yīng)力分析的簡(jiǎn)化方法——修正的靜載荷方法構(gòu)件作等加速直線運(yùn)動(dòng)或等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力構(gòu)件作等加速直線運(yùn)動(dòng)或等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),構(gòu)件由于各質(zhì)點(diǎn)上的慣性力產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力,此時(shí),動(dòng)應(yīng)力的分析多采用靜動(dòng)法,即除外載荷外,構(gòu)件內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)處應(yīng)加上慣性力,然后按靜載荷問題進(jìn)行分析和計(jì)算。勻速轉(zhuǎn)動(dòng)直桿的動(dòng)應(yīng)力設(shè)均質(zhì)等截面桿AB繞軸以角速度w旋轉(zhuǎn),桿長(zhǎng)為l,橫截面面積為A,計(jì)算桿的最大動(dòng)應(yīng)力慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力設(shè)桿的比重為g,則桿的線質(zhì)量密度為gA/g,根據(jù)靜動(dòng)法,可將慣性力視為作用在桿件上的分布力,其集度記為qd,即
可見,最大軸力發(fā)生在截面B處,其值為Nmax=N(D/2)x橫截面x處的軸力為Nqd慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力截面B處(危險(xiǎn)截面)的應(yīng)力為可見,對(duì)于等截面直桿,動(dòng)應(yīng)力的大小與橫截面面積無關(guān),并且,當(dāng)材料給定時(shí),直桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度w有一極限值。x當(dāng)l>>D時(shí),有近似慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力例鋼索以等加速度a提升重量為P的重物M,鋼索的橫截面面積為A,其重量與重物相比甚小而可忽略不計(jì),確定鋼索的動(dòng)應(yīng)力。解由于重物以加速度a提升,故鋼索除受重物的重力P作用外,還受到重物的慣性力作用。于是,鋼所承受的拉力為aMN慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力從而,鋼索橫截面上的正應(yīng)力為aMN其中,為P作為靜荷載作用時(shí)鋼索橫截面上的靜應(yīng)力動(dòng)載荷系數(shù),反映了動(dòng)載荷的效應(yīng)N慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力例直徑d=100mm的圓軸,一端有重量P=0.6kN、直徑D=400mm的飛輪,以均勻轉(zhuǎn)速n=1000r/m旋轉(zhuǎn)?,F(xiàn)因在軸的另一端施加了制動(dòng)力偶(其力矩為md)而在t=0.01s內(nèi)停止。若圓軸的質(zhì)量與飛輪質(zhì)量相比很小而忽略不計(jì),確定圓軸內(nèi)的最大動(dòng)應(yīng)力。解若飛輪在制動(dòng)時(shí)作勻減速轉(zhuǎn)動(dòng),則角加速度為dDn慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力在制動(dòng)過程中,飛輪的慣性力矩為dDmdmd根據(jù)靜動(dòng)法,圓軸在兩端力偶md的作用下處于平衡。于是,任一橫截面上的扭矩為從而,圓軸的最大剪應(yīng)力為慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力例長(zhǎng)l=12m的16號(hào)工字鋼,用橫截面面積為A=108mm2的鋼索吊起,并以等加速度a=10m/s2上升。若只考慮工字鋼的重量而不計(jì)吊索的重量,試求吊索的動(dòng)應(yīng)力,以及工字鋼在危險(xiǎn)點(diǎn)處的動(dòng)應(yīng)力smax。欲使工字鋼的smax減至最小,吊索的位置如何安置?~~2m4m4m2mzya慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力解根據(jù)動(dòng)靜法,當(dāng)工字鋼以加速度a勻速上升時(shí),工字鋼慣性力的集度為其中,qst=Ag為工字鋼每單位長(zhǎng)度的重量。~~2m4m4m2mABCa于是,工字鋼上的總均布力的集度為NNq根據(jù)對(duì)稱性,鋼索中的軸力為慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力對(duì)16號(hào)工字鋼,有NNq~~2m4m4m2mABCa從而于是,鋼索上的動(dòng)應(yīng)力為慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力工字鋼梁的彎矩為NNq~~2m4m4m2mABCa于是,最大彎矩在梁跨的中點(diǎn)C處的橫截面上,其值為從而,彎矩圖為NN⊕x慣性力引起的動(dòng)應(yīng)力橫截面C處上下邊緣(危險(xiǎn)點(diǎn))的正應(yīng)力為~~2m4m4m2mABCaNNqxNN⊕欲使工字鋼的smax減至最小,可將吊索向梁跨中點(diǎn)C移動(dòng),以增加負(fù)彎矩而減小正彎矩,最后使梁在吊索處的負(fù)彎矩等于中點(diǎn)C處的正彎矩,此時(shí),工字鋼梁的最大彎矩減至最小,其吊索位置見圖所示。⊕2.484m2.484m構(gòu)件受沖擊荷載作用時(shí)的動(dòng)應(yīng)力(沖擊應(yīng)力)計(jì)算沖擊應(yīng)力的計(jì)算當(dāng)一運(yùn)動(dòng)的物體碰到一靜止的構(gòu)件時(shí),前者的運(yùn)動(dòng)將受到阻礙而在瞬間停止運(yùn)動(dòng),這時(shí)構(gòu)件受到了沖擊作用在沖擊過程中,運(yùn)動(dòng)中的物體稱為沖擊物,而阻止沖擊物運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為被沖擊物分析被沖擊物中產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力和變形的方法精確分析——彈性體內(nèi)的應(yīng)力波理論粗略估算——簡(jiǎn)單而偏與安全的分析和計(jì)算沖擊應(yīng)力的計(jì)算在沖擊應(yīng)力的估算中,通常假定:在沖擊過程中,沖擊物不變形,并且沖擊物與被沖擊物接觸后無彈回,形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)被沖擊物的質(zhì)量與沖擊物相比很小,可忽略不計(jì),而沖擊應(yīng)力瞬時(shí)傳遍被沖擊物,并且材料服從虎克定理沖擊過程中,聲、熱等能量損耗很小,可忽略不計(jì),即外力功、動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為被沖擊物的應(yīng)變能沖擊應(yīng)力的估算方法沖擊應(yīng)力的計(jì)算設(shè)重量為P的物體從高為h處自由落下沖擊到固定在等截面直桿AB下端的圓盤上,設(shè)直桿的長(zhǎng)為l,橫截面面積為A,計(jì)算桿件的沖擊應(yīng)力ABPhl在沖擊過程中,當(dāng)重物與圓盤接觸后,且速度減為零時(shí),桿下端B就達(dá)到最低位置,記此時(shí)桿下端B的最大位移(等于桿AB的伸長(zhǎng))為d,與之相應(yīng)的沖擊荷載位Pd。Pdd沖擊應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)能量守恒定律,沖擊過程中沖擊物動(dòng)能T和勢(shì)能V的減少應(yīng)等于被沖擊物的應(yīng)變能U的增加,即這里,由于忽略了被沖擊物(桿件)的質(zhì)量,所以,被沖擊物的動(dòng)能和勢(shì)能的變化可以忽略不計(jì)。ABPhlABPhlPdd沖擊應(yīng)力的計(jì)算當(dāng)桿的下端B到達(dá)最低點(diǎn)時(shí),沖擊物勢(shì)能的減少為桿AB(被沖擊物)所增加的應(yīng)變能可通過沖擊荷載Pd在其相應(yīng)的位移Dd上所作的功來計(jì)算,即ABPhlABPhlPdd由于沖擊物的初速度和終速度均為零,所以,其動(dòng)能無變化,即沖擊應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)虎克定理,有ABPhlABPhlPdd從而于是,由能量守恒定律可得沖擊應(yīng)力的計(jì)算記為重物P作為靜荷載作用在桿下端B處的圓盤上時(shí),桿B端的靜位移于是,上式變形為hlPddABPhlstP此方程的解為沖擊應(yīng)力的計(jì)算從而,沖擊荷載Pd為hlPddABPhlstP記——沖擊動(dòng)荷系數(shù)則沖擊應(yīng)力的計(jì)算從而,沖擊應(yīng)力為hlPddABPhlstP可見,在沖擊荷載問題的計(jì)算中,確定相應(yīng)的沖擊動(dòng)荷系數(shù)Kd是關(guān)鍵?!o應(yīng)力實(shí)際沖擊過程中,由于不可避免地存在聲、熱等能量損耗,因此,被沖擊構(gòu)件中所增加的應(yīng)變能Ud小于沖擊物所減少的能量,從而導(dǎo)致上述方法計(jì)算的沖擊動(dòng)荷系數(shù)偏大。沖擊應(yīng)力的計(jì)算當(dāng)h0時(shí),沖擊動(dòng)荷系數(shù)hlPddABPhlstP這種突然施加的荷載稱為驟加荷載。即當(dāng)重物突然加載在桿件上時(shí),所引起的應(yīng)力是重物緩慢施加在桿件時(shí)所引起的靜應(yīng)力的兩倍。數(shù)學(xué)上描述為h(t)為Heaviside函數(shù)沖擊應(yīng)力的計(jì)算例鋼吊索AC的下端懸掛重量為P=20kN的物體,并以等速度v=1m/s下降,當(dāng)索長(zhǎng)度為l=20m時(shí),滑輪D突然被卡住。求吊索受到的沖擊荷載Pd以及沖擊應(yīng)力sd。已知吊索內(nèi)鋼絲的橫截面面積A=414mm2,彈性模量為E=170GPa,滑輪重量可忽略不計(jì)。在上述情況下,在吊索與重物之間安置一個(gè)剛度為C=300kN/m的彈簧,則吊索受到的沖擊荷載又是多少?vPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算解設(shè)沖擊荷載為Pd,滑輪D被卡住的那一瞬間,鋼吊索AC的伸長(zhǎng)為st,而d為滑輪D被卡住后,吊索的最大伸長(zhǎng),即在沖擊過程中,沖擊物動(dòng)能的減少為勢(shì)能的減少為PdlACDdstvPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算滑輪D被卡住的那一瞬間,鋼吊索AC內(nèi)已存儲(chǔ)的應(yīng)變能為滑輪被卡住后,吊索AC內(nèi)存儲(chǔ)的應(yīng)變能為所以,吊索內(nèi)應(yīng)變能的增加為PdlACDdstvPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)能量守恒定律,有注意到上式變?yōu)檫M(jìn)一步簡(jiǎn)化為PdlACDdstvPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算由此求得方程的兩個(gè)根,符合物理意義的根為于是,動(dòng)荷系數(shù)為可見,提高相應(yīng)的靜伸長(zhǎng)(靜位移)Dst,可降低沖擊動(dòng)荷系數(shù)Kd,從而降低沖擊應(yīng)力。PdlACDdstvPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算取g=9.81m/s2,則于是,沖擊應(yīng)力為spPlACDrod如果在吊索和重物之間安置一個(gè)剛度為C=300kN/m的彈簧,則由重物引起的靜伸長(zhǎng)為吊索的伸長(zhǎng)量Drod與彈簧Dsp的伸長(zhǎng)量之和vPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算即spPlACDrod此時(shí),沖擊應(yīng)力為于是,安置彈簧后的動(dòng)荷系數(shù)為可見,在吊索和重物之間增加一個(gè)彈簧后,即增大桿件的靜伸長(zhǎng),將降低沖擊過程中的沖擊應(yīng)力,這是因?yàn)闆_擊過程中的部分能量轉(zhuǎn)化為彈簧的應(yīng)變能。vPlACD沖擊應(yīng)力的計(jì)算例一端固定、長(zhǎng)為l的鉛直圓截面桿AB在C點(diǎn)處被一個(gè)物體G沿水平方向沖擊,已知G點(diǎn)到桿下端的距離為a,物體G的重量為P,物體G與桿接觸時(shí)的速度為v。求桿在危險(xiǎn)點(diǎn)處的沖擊彎曲應(yīng)力。BvlA
aGCBACDdPd解設(shè)桿AB在被沖擊過程中,C點(diǎn)的最大撓度(沖擊撓度)為d,相應(yīng)的沖擊荷載為Pd。沖擊應(yīng)力的計(jì)算在沖擊過程中,物體G的速度由v減低為零,并且由于水平?jīng)_擊,所以,其動(dòng)能和勢(shì)能的減少量分別為BvlA
aGC在沖擊過程中,被沖擊物的應(yīng)變能為BACDdPd沖擊應(yīng)力的計(jì)算沖擊力Pd和沖擊位移Dd之間的關(guān)系為BvlA
aGC根據(jù)機(jī)械能守恒定律定律,由從而,桿AB的應(yīng)變能為BACDdPd沖擊應(yīng)力的計(jì)算由此求得BvlA
aGC這里,——為在桿C點(diǎn)處受到一個(gè)數(shù)值上等于物體重量P的靜荷載作用時(shí),該點(diǎn)的撓度。BACDdPd沖擊應(yīng)力的計(jì)算于是,動(dòng)荷系數(shù)為BvlA
aGC當(dāng)C點(diǎn)受水平力P作用時(shí),桿固定端橫截面的最外緣(即桿的危險(xiǎn)點(diǎn))處的靜應(yīng)力為于是,危險(xiǎn)點(diǎn)處的沖擊應(yīng)力為BACDdPd構(gòu)件受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力桿件受迫振動(dòng)粗略計(jì)算的基本假定構(gòu)件本身的質(zhì)量可忽略不計(jì)受迫振動(dòng)可簡(jiǎn)化為一個(gè)自由度的振動(dòng)問題考慮如圖所示的彈性系統(tǒng),設(shè)剛性塊和電機(jī)的總重量為P,彈簧的剛度為C,并且彈簧重量遠(yuǎn)小于P而可忽略不計(jì)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度為p,由于偏心作用而引起的慣性力為H,下面分析彈簧中的動(dòng)應(yīng)力。HPpt受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力彈簧在靜荷載作用下的靜位移為HPptPDst設(shè)系統(tǒng)的阻尼為,以靜荷載的平衡點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),則剛性塊的運(yùn)動(dòng)方程為此方程的穩(wěn)態(tài)解為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力其中,為位相差,B為振幅,且HPptPDstDH為將慣性力H作為靜荷載加在彈簧上的靜位移,為放大系數(shù),w為彈簧系統(tǒng)的固有頻率。受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力于是,彈簧在干擾力作用下發(fā)生受迫振動(dòng)的最大位移為而最小位移為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力受迫振動(dòng)的動(dòng)荷系數(shù)為類似的分析可以得到,如果在靜荷載P作用下彈簧的剪應(yīng)力為tstmax,則受迫振動(dòng)中彈簧的最大動(dòng)應(yīng)力為這個(gè)結(jié)論對(duì)所有單自由度彈性系統(tǒng)受迫振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算都是適用的。彈性系統(tǒng)受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力是作周期變化的,這種應(yīng)力亦稱為交變應(yīng)力受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力彈簧受迫振動(dòng)的位移HPptPDstHDHdmax=Dst+BH受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力例圖式的三種不同支承的梁都是有兩根20b號(hào)工字鋼所組成,梁的跨度l=3m,彈性模量E=200GPa,梁的中點(diǎn)安裝一重量為P=12kN,轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動(dòng)機(jī),由于其轉(zhuǎn)子偏心所引起的慣性力H=2.5kN。忽略梁自身的重量,且不及阻尼介質(zhì)的阻力(n=0),計(jì)算圖示三梁危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大和最小動(dòng)應(yīng)力。HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力解梁橫截面關(guān)于z軸的慣性矩為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)對(duì)于圖(a)所示的兩端簡(jiǎn)直梁,在中點(diǎn)C處作用靜荷載P所引起的靜位移為從而,梁的固有頻率為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁的激振頻率為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)由于不計(jì)阻尼,從而,放大系數(shù)和動(dòng)荷系數(shù)分別為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁危險(xiǎn)點(diǎn)C處的最大靜應(yīng)力為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)于是,梁危險(xiǎn)點(diǎn)上的動(dòng)應(yīng)力為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力對(duì)于圖(b)所示的兩端固定梁,因?yàn)闉橐淮纬o定問題,所以需按超靜定方法求解在中點(diǎn)C處作用靜荷載P所引起的靜位移,由此可得靜位移為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)從而,梁的固有頻率為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁的激振頻率為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)由于不計(jì)阻尼,從而,放大系數(shù)和動(dòng)荷系數(shù)分別為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁危險(xiǎn)點(diǎn)C處的最大靜應(yīng)力為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)于是,梁危險(xiǎn)點(diǎn)上的動(dòng)應(yīng)力為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力對(duì)于圖(c)所示的彈簧支承簡(jiǎn)支梁,設(shè)支承彈簧的剛度C=300kN/m,在中點(diǎn)C處作用靜荷載P所引起的靜位移為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)從而,梁的固有頻率為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁的激振頻率為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)由于不計(jì)阻尼,從而,放大系數(shù)和動(dòng)荷系數(shù)分別為受迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力梁危險(xiǎn)點(diǎn)C處的最大靜應(yīng)力為HPABCHPABCHPABCyz(a)(b)(c)于是,梁危險(xiǎn)點(diǎn)上的動(dòng)應(yīng)力為交變應(yīng)力下材料的疲勞破壞疲勞極限疲勞破壞?疲勞極限基本概念
交變應(yīng)力——一點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間而交替變化
疲勞破壞——材料與構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下的破壞疲勞破壞?疲勞極限疲勞破壞的實(shí)例
疲勞破壞?疲勞極限疲勞破壞的實(shí)例
疲勞破壞?疲勞極限交變應(yīng)力的基本參量
規(guī)則交變應(yīng)力——應(yīng)力隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)一定的周期規(guī)律特征應(yīng)力譜——應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線疲勞破壞?疲勞極限不規(guī)則交變應(yīng)力——應(yīng)力隨時(shí)間的變化是隨機(jī)的,沒有規(guī)律可尋s(t)疲勞破壞?疲勞極限對(duì)規(guī)則交變應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)——應(yīng)力變化的一個(gè)周期一個(gè)應(yīng)力循環(huán)疲勞破壞?疲勞極限應(yīng)力循環(huán)特征——應(yīng)力循環(huán)中絕對(duì)值的最小應(yīng)力與絕對(duì)值的最大應(yīng)力之比,即這里規(guī)定以絕對(duì)值較大者為最大應(yīng)力,并且規(guī)定它為正號(hào),而與正號(hào)應(yīng)力反向的最小應(yīng)力則為負(fù)s(t)一個(gè)應(yīng)力循環(huán)smaxsmin疲勞破壞?疲勞極限應(yīng)力幅——應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差,即s(t)一個(gè)應(yīng)力循環(huán)smaxsmins對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力——循環(huán)特征r
=-1
的交變應(yīng)力,即非對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力——r
-1
的交變應(yīng)力幾個(gè)特殊情況疲勞破壞?疲勞極限脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力——應(yīng)力循環(huán)特征r
=0
的交變應(yīng)力,即交變應(yīng)力的基本參量(兩組)最大應(yīng)力smax和循環(huán)特征r最大應(yīng)力smax和應(yīng)力幅Ds靜態(tài)應(yīng)力情形——靜應(yīng)力的循環(huán)特征r
=1
,即疲勞破壞?疲勞極限疲勞破壞——若金屬材料長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力狀態(tài)下,則在最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度,并且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下,材料發(fā)生的驟然斷裂疲勞破壞特征破壞時(shí),名義應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的(靜載)強(qiáng)度極限破壞需要經(jīng)過一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)破壞前沒有明顯的塑性變形,即使韌性很好的材料,也會(huì)呈現(xiàn)脆性斷裂同一疲勞斷口,一般都有明顯的光滑區(qū)域和顆粒狀區(qū)域疲勞破壞?疲勞極限光滑區(qū)域顆粒狀區(qū)域
同一疲勞斷口,一般都有明顯的光滑區(qū)域和顆粒狀
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