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基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真.doc

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基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真.doc

I摘要船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。目前,船舶运动数学模型建模中主要有两大流派以Abkowite为代表的整体型结构模型和日本拖曳水池委员会(JTTC)提出的分离型结构模型,简称MMG模型。本文主要是对于船舶的回转运动进行研究,采用的是MMG模型。根据13000T散货船的主要参数,通过计算求出所需的相关量,建立了船舶的线性响应型模型。在此模型的基础上,利用MATLAB中的Simulink模块将此数学模型在该软件中建立一个仿真模型。在Simulink中对建立的仿真模型进行运行得到船舶运动参数。通过Simulink的外部模式将仿真结果变成实时输出数据,利用RS232发送并接受数据,用VisualC连接数据库和RS232的数据提取,再利用VisualC与SQL的接口读取数据,并通过OSG进行实现船舶回转运动的可视化虚拟仿真。关键词船舶回转运动;数学模型;Simulink;视觉仿真;OSGIIAbstractTheshipmotionmathematicalmodelistheproblem’scoreabouttheshipmotionsimulationandcontrol.Currently,therearetwomajorschoolsintheshipmotionmathematicalmodel’smodelingtheoverallstructuremodelrepresentedbyAbkowiteandtheseparationofstructuremodelreferredtoastheMMGmodelproposedbytheJapanTowingTankCommitteeJTTC.Thisarticlemainlyresearchontherotarymovementoftheship,usingtheMMGmodel.Basedonthe13000Tbulkcarrier’smainparameters,weobtaintherequiredrelevantamountbycalculating.Thenweestablishthelinearresponsemodeloftheship.Onthebasisofthismodel,wetransferthismathematicalmodelintoasimulationmodelwiththeSimulinkmoduleofMATLAB.InSimulink,wegettheshipmotionparametersthroughrunningthesimulationmodel.ThroughSimulink’sexternalmode,weconversethesimulationresultsintoreal-timeoutputdata,usingastandardserialportRS232tosendandreceivedata.ThenweuseVisualCtoconnectthedatabasewithRS232dataextraction.UsingVisualCinterfacewithSQLtoreaddatabase,andconductedbyOSGtoenablevisualizationoftheshipturningmotionofthevirtualsimulation.Keywordsshipturningmotion;mathematicalmodel;Simulink;visualsimulation;OSGIII目录第一章绪论...........................................................................................................................11.1课题研究现状.................................................................................................11.2本课题的意义.................................................................................................2第二章响应型船舶运动数学模型的建立......................................................42.1线性响应模型.................................................................................................42.1.1线性船舶运动数学模型的建立.............................................................42.1.2线性响应模型.......................................................................................112.2船舶运动的风、流干扰力数学模型...........................................................122.2.1风的干扰力数学模型...........................................................................132.2.2水流的干扰力数学模型.......................................................................142.2.3风和流共同作用下船舶的操纵模型...................................................152.3模型参数的计算...........................................................................................152.3.1船舶质量与转动惯量的计算...............................................................162.3.2流体动力及流体动力导数的计算.......................................................162.3.3K、T、C的计算...............................................................................192.3.4风、流模型中的参数计算...................................................................19第三章基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真.....................213.1Simulink的简介............................................................................................213.2线性响应型船舶运动模型的建立...............................................................223.2.1流体动力模型的建立...........................................................................233.2.2操纵性指数K、T模型的建立............................................................293.2.3线性响应型船舶运动模型的建立.......................................................303.3风、流模型的建立.......................................................................................313.3.1风力模型的建立...................................................................................313.3.2流力模型的建立...................................................................................343.3.3附加舵角模型的建立.....................................................................343.4模型的整合...................................................................................................353.4.1压缩子系统...........................................................................................353.4.2模型的组合...........................................................................................363.5仿真试验.......................................................................................................38IV3.5.1回转试验...............................................................................................383.5.2风对船舶运动影响...............................................................................403.5.3流对船舶运动的影响.........................................................................413.5.4结论.......................................................................................................42第四章Simulink与数据库的连接及视觉仿真的实现.......................434.1Simulink模型仿真结果的实时输出............................................................434.2利用VC连接数据库与RS232的数据提取...........................................444.3利用0SG实现视觉仿真..............................................................................47第五章结论........................................................................................................................515.1存在的问题及解决方案...............................................................................515.2发展前景.......................................................................................................51致谢......................................................................................................................52参考文献................................................................................................................................53附录I........................................................................................................................................54江苏科技大学毕业论文(论文)1第一章绪论1.1课题研究现状船舶运动控制以其重要性和复杂性仍然是国内外研究的热点领域。船舶动态具有大惯性的特点,万吨级油轮的时间常数可达百秒以上,对动舵的响应缓慢,且操舵伺服子系统中存在着时滞和继电器特性等非线性因素,船速的变化和装载增减造成船舶质量、惯性矩、重心坐标发生变化,引起各种流体动力导数相应改变,最终导致船舶运动数学模型的参数甚至结构产生摄动,这就是让现研究者感到棘手的不确定性;同时,风、浪、流的存在也造成对船舶运动的附加干扰动力(风的低频干扰动力和浪的高频干扰动力),实质上这些干扰最终也转换成船舶模型的参数和结构的摄动,即干扰同样引起不确定性。这正是当前船舶运动控制研究面临的主要问题之一船舶运动控制系统表现出大干扰、时变、不确定,非线性的特点和随机的环境干扰。另一方面,在对船舶运动进行闭环控制时,获得反馈信息的测量手段也不可能是完善的,一些重要的量测数据例如航向、船位等都有一定的误差,这就成为了船舶运动控制研究的另一主要问题测量信息的不精确性,无强鲁棒性,传统控制策略的效果不能令人满意。控制策略是船舶运动控制科学的主要研究对象。从20世纪20年代到70年代,自动舵的PID算法延续了50年;70年代~80年代出现自适应控制并在自动舵商品化方面获得了成功,产生了明显的经济效益;90年代始,控制论的全面繁荣为船舶运动控制系统设计提供了诸多的新控制算法,如神经网络控制、模糊控制、多模态仿人智能控制、混合智能控制、H鲁棒控制等都被不同程度地引入到自动舵研制之中,目前主要有以下几种控制策略1、PID控制2、自适应控制3、变结构控制4、当前流行的船舶运动控制算法,分为两类,一类为神经网络控制、模糊逻辑控制、混合智能控制;另一类为鲁棒控制。船舶控制目标由航向控制到航迹控制,再到航速、航姿和航迹联和控制等,以实现复杂环境下的自动航行、自动靠泊等,要求越来越高。在自动操舵仪产品设计开发和调试过程中,需要对新的控制算法以及相应的硬件电路的综台性能反复试验,不断改进,最终通过实船试验验证。开发船舶运动控制仿真平台,模拟船舶操纵运动和各种海况,对控制算法和自动舵整体性能进行综合检验,无疑能显著加快开发速度,降低试验成江苏科技大学毕业论文(论文)2本。船舶运动控制的仿真有三种模式,即单机仿真、双机仿真半物理仿真和物理仿真。前面两种都是先建立起船舶运动的数学模型,再对其进行控制仿真,成本较低,容易实现;而物理仿真则是利用缩尺模型代替实船进行各种实时控制实验,要求较大的资金投入,且不易实现。而船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。可以从不同的角度对系统数学模型加以分类,如下所示1、静态模型和动态模型2、确定性模型和不确定性模型3、连续模型和离散化模型4、线性模型和非线性模型。但是从实际应用上来看,以线性模型或非线性模型的区别为主要线索进行讨论是方便和有益的。严格地说,任何一个实际系统都或多或少存在着非线性,不过从控制器设计的角度看,在大多数情况下都可以应用线性模型,因为闭环反馈控制能使系统的各种时间变量对于它们的平衡状态仅有较小的偏离。船舶运动非线性模型用途广泛,实质都是基于这种模型可精确预报船舶操纵运动特性这一点。船舶运动控制问题的两个重点研究领域是船舶运动控制器设计和船舶动态模型建立。建立一个复杂程度适宜、精度满足要求的数学模型对于进行系统闭环性能研究是至关重要的。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数,也不便于分析.过于简单的模型不能描述系统的重要性能。近年来,Mathworks公司推出Matlab软件包被越来越多地运用于工程系统的仿真领域,尤其是其Simulink模块具有超强仿真能力,引起了工程界广泛兴趣。本文在状态空间型的船舶运动数学模型的基础上,给出了基于输入输出信息构造的响应型船舶运动数学模型的系统性方法,这种响应型模型仅考虑了过程线性影响。然后建立基于Matlab/Simulink的船舶运动模型,在此基础上对船舶的操纵性能进行仿真计算。再通过VisualC将得到的实时数据与数据库连接,利用VisualC与SQL的接口读取数据,并通过OSG进行船舶运动的视觉仿真实验。1.2本课题的意义船舶运动控制是一个重要的研究领域,其最终目的是提高船舶自动化、智能化水平,保证航行的安全性、经济性和舒适性。而船舶操纵性是船舶航行的重要性能之一,对航运安全有非常大的影响。特别是近年来,随着海运的发展,船舶的吨位急剧增大,航速提高,航运频繁,使船舶航运安全成为一个突出的问题。江苏科技大学毕业论文(论文)3许多国家都要求新建造的船舶及进入该国水域的船舶提交操纵性计算书和相关的试验报告。国际海事组织IMO和各国政府都在致力于“船舶操纵性标准”的制定。随着人们对船舶操纵性的日益关注,准确计算船舶操纵性已经提上了议事日程。基于上述目的本文分析了风和水流对船舶操纵性能的影响,研究船舶对操舵的动态响应。建立了在风和流共同作用下船舶操纵系统的动力学模型,用于模拟船舶在操舵后的运行状况。同时通过回转性实验对该模型进行了验证。通过建立船舶的动态响应型运动模型,并对其运动进行仿真,旨在研究Simulink环境下船舶运动控制的单机仿真,为船舶的操纵性能和船舶运动控制规律的研究提供方便手段。能够使我们了解船舶对于操舵的动态响应,操舵对于船舶的航迹改变的具体影响,也能起到预报船舶操纵特性的作用。通过引入风与水流的动力模型,可以分析风速、风舷角、流速、流舷角对于船舶运动的大致影响,让大家了解在大风流下如何对船舶进行操纵才能保持船舶运动的稳定性。对于船舶的回转运动的仿真,可以加深对船舶回转运动特征的认识,对于定常回转运动的特征参数(定常回转直径、定常回转周期等)有进一步的了解,在仿真过程中也能够让我们了解到影响船舶回转运动的一些因素。判断一个船舶的回转性的好坏可以从其相对回转直径看出。将Simulink模型中仿真的数据通过其外部模式变成实时输出数据,用标准串行端口RS232发送并接受数据,再通过C编写程序连接数据库和RS232的数据提取,利用VisualC与SQL的接口读取数据,并通过OSG实现实船的运动视觉仿真。这样可以让我们更形象的观察操舵、风流对于船舶在航行中影响,航迹的具体改变,有助于我们形象具体的进一步认识。江苏科技大学毕业论文(论文)4第二章响应型船舶运动数学模型的建立响应型模型是船舶运动数学模型的另一种表达形式。50年代末野(Nomoto)从控制工程的观点将船舶看成为一个动态系统,舵角为系统的输入、首向角或首摇角速度为系统的输出。首先从简捷的物理考察上,建立了系统输入输出的响应关系的一阶响应模型。后来又从状态空间型的线性船舶运动数学模型出发,建立了二阶响应模型。以后根据不同的需要,建立了非线性响应型模型。这些模型的一个重要特点是模型参数可直接从规定的实船试验中获得,从而避免了状态空间型的模型(如MMG模型)参数需用模型试验获得的缺陷,这就自动消除了尺度效应。因此,响应型船舶运动数学模型在船舶操纵性的研究领域中及在船舶航向、航迹自动控制研究中,在早期的航海模拟器、操纵模拟器研制中都得到了广泛的应用。它实质上为船舶运动数学模型的研究开辟了一个新领域。2.1线性响应模型建立一个系统的数学模型主要有两方面的工作要做一是根据物理意义在一定的简化条件下建立模型的结构;二是根据系统的特征数据,确定模型的参数。线性响应模型的结构,一般是通过对状态空间型的线性船舶运动数学模型进行一定的推导获得。线性响应模型的参数,一方面可通过实船或自航船模进行规定试验的结果求得,另一方面也可由线性船舶运动数学模型中的流体动力导数计算而得。本节首先介绍线性船舶运动数学模型,再建立响应性模型,最后给出由流体动力导数求响应型模型参数的计算公式。2.1.1线性船舶运动数学模型的建立建立线性船舶运动数学模型一般有两种途径一种途径是利用整体建模思想直接对作用于船舶(包括船体、舵、桨)上的流体动力和力矩进行泰勒级数展开,取一阶项,再根据船舶的几何特征进行整理而得。但是,由于目前可利用的整体性模型流体动力导数资料有限,从而使响应模型的参数计算受到了限制。另一种途径是根据MMG模型,由船舶运动的特点,简化成线性船舶运动数学模型。该方法利用MMG分离建模的优点,能直接有船型参数计算流体动力导数,在此基础上响应模型参数的计算也相当方便了。本节我们采用后一种方法。MMG模型取附体坐标系原点在船舶重心G,则采用如下船舶运动方程式1江苏科技大学毕业论文(论文)5CzzxYNrIYurvmXvrum2-1-1式2-1-1中的第三个方程右端出现了CxY,其原因是模型试验时测量流体动力矩N是相对于船舶中心进行的,因此需要将N修正到相对于重心的力矩故而作项变动,Cx是船舶中心在坐标系中x轴坐标值。按MMG建模的基本要求,将作用于船体上流体动力和力矩分解为,,000PHRHRPRRRHPHPRPPPRHPHRHHNYXf2-1-2其中,0H、0P、0R分别为裸船体、桨和舵上单独作用的流体动力和力矩,其余为它们之间相互干涉的流体动力和力矩,如PH表示桨对船体干涉的流体动力等。这样的分解意义明确。但试验时求取有些项会有一定的困难,因为这些项数量级不大可以忽略。另外,为了表示简洁,一般可表示成下式RPHRPHRPHNNNNYYYYXXXX0002-1-3我们进一步将作用于裸船体上的流体动力和力矩按产生的性质分解为惯性类和粘性类流体动力和力矩,所以式2-1-3可改写为RPHIRPHIRPHINNNNNYYYYYXXXXX2-1-4其中,下标I表示为惯性类,H表示粘性类流体动力和力矩。将式2-1-4代入式2-1-1可得CRPHIzzRPHIRPHIxYNNNNrIYYYYurvmXXXXvrum2-1-5一般假设坐标系原点与船舶中心和重心重合,同时将惯性类的力与力矩转换为船舶沿X、Y轴的附加质量和绕Z轴的附加质量惯性矩。则式2-1-5变为下式江苏科技大学毕业论文(论文)62对于船舶前进xmmuymmvrRPHXXX对于船舶横移ymmvxmmurRPHYYY2-1-6对于船舶转头zzzzJIrRPHNNN式中HX、HY、HN为作用于裸船体上的流体动力,PX、PY、PN为螺旋桨推力,RX、RY、RN为舵力;u、v为船舶运动的加速度分量;r为转首角加速度;m为船舶质量;xm、ym为船舶沿X轴和Y轴的附加质量;zzI为船舶绕Z轴的质量惯性矩;zzJ为船舶绕Z轴的附加质量惯性矩。现将式2-1-6中有关各项的计算总结如下一、作用于船体流体动力的计算1、裸船体流体动力HXuX22rXvrXvXHrrHvrHvvHYNLHrHvYrYvY2-1-7HNNLHrHvNrNvN式中的NLY、NLN是非线性流体动力,相对于线性流体动力来说为高阶小量可以略去。2、螺旋桨推力PX142PTPtJkDnJPPnDwu/1(2-1-8)这里仅考虑船舶的前进运动,螺旋桨横向力和力矩应为零,即PYPN0。3、舵力RXsin1NRFt,RYcos1NHFaRNcosNHHRFxax(2-1-9)其中江苏科技大学毕业论文(论文)7RRRNSUfAFsin21222RRRvuU(2-1-10)arctanRRRuv二、作用于船体流体动力的线性化所谓线性船舶,是指船舶受到的外界干扰较小,它的运动始终在平衡状态附近。作用于船舶上的各种流体动力是线性项取支配地位,二阶以上项的数量级相对较小可以忽略不计。一般把船舶的匀速直线运动作为初始平衡状态。假设0uu,00vv,00rr,00,0u为船舶的初始纵向速度。船舶受到外界干扰后,运动状态变化量分别为u,vv,rr和,从而运动状态为uuu0,vvv0,rrr0,0。下面讨论由扰动运动产生的作用于船舶上的流体动力。1、裸船体流体动力保留一阶小量u、v、r和,略去二阶以及上的高阶小量,得HX0uuXHYrYvYHrHv(2-1-11)HNrNvNHrHv其中0uuX为船舶直航阻力,可表示为0uuX-21tsC20uu,tC为船舶的总阻力系数,它也是船速的函数,则上式可展示为0uuX-21suuut0t00CC(2-1-12)0tC为船速0u时的总阻力系数。对上式作对u的线性化处理,并令江苏科技大学毕业论文(论文)80X-21s0tC20uHuX-21s2t0000C2Cuuuut(2-1-13)0X为船舶在初始状态时的直航阻力,则HuX0XuXHu(2-1-14)2、螺旋桨推力由于(2-1-8)中Tk为进速系数J的函数,而J又是u的函数,则RX展开为PX221PPDntuuuT0T0kk(2-1-15)其中,0Tk为船舶初始航行状态时的推力系数,且0uTuk0uTJkuJ0uTJkPpnDw1(2-1-16)令0PX221PPDnt0TkPuX421PPDnt0uTuk113PPPwnDt0uTJk则式(2-1-15)变为PX0PXuXPu(2-1-17)3、舵力舵处来流的冲角RarctanRRuv/中,考虑到小扰动时,arctanRRuv/为小量,可用RRuv/近似,且RvRrlvR,故有RRRurlvR(2-1-18)因此sin212RRNUfAFrlvuRRR2-1-19)其中R为小量,sinR≈R,得江苏科技大学毕业论文(论文)9NFfAR212VUR2VrlvuRRR(2-1-20)将式(2-1-20)代入式(2-1-18),并考虑到为小量,有sin≈,cos≈1,则RX1RtfAR212VUR2VrlvuRRR(2-1-21)RY1HafAR212VUR2VrlvuRRR1HafAR212VUR2V1HafAR212VUR2VRRuv1HafAR212VUR2VRRuvlRY2VURRvY2VURvRrY2VURr≈YRvYvRrYr(2-1-22)RNHHRxaxfAR212VUR2VrlvuRRRHHRxaxfAR212VUR2VHHRxaxfAR212VUR2VRRuvHHRxaxfAR212VUR2VRRurlRN2VURRvN2VURvRrN2VURr≈NRvNvRrNr(2-1-23)由于小扰动,上面讨论中最后假设VUR/≈1,且采用了下列简化符号Y1HafAR212VRvY1HafAR212VRRu江苏科技大学毕业论文(论文)10RrY1HafAR212VRRRulNHHRxaxfAR212VRvNHHRxaxfAR212VRRuRrNHHRxaxfAR212VRRRul分别将上述结果代入式(2-1-6)可得xmm△uymmvr0XuXHu0PXuXPuymmvxmmruu0rYvYHrHvYRvYvRrYr(2-1-24)zzzzJIrrNvNHrHvNRvNvRrNr在式(2-1-24)中,考虑以下几个问题1)在初始状态时,船舶阻力应与螺旋桨推力平衡,即000PXX(2-1-25)2忽略二阶量vr和ur并令PuHuuXXXRvHvvYYYRrHrrYYY(2-1-26)RvHvvNNNRrHrrNNN则式(2-1-24)为xmm△uuXuymmvxmmru0YrYvYrv(2-1-27)zzzzJIrNrNvNrv由式(2-1-27)可见,在线性运动时第一方程与第二、三方程解耦,即船舶纵向江苏科技大学毕业论文(论文)11运动与横向和旋转运动互无影响,可以分别考虑。4、假设我们暂不考虑纵向速度变化的影响设船舶受外界小扰动时,纵向速度不变,则式(2-1-27)中的第一式可以除去,其余两式可以改为ymmvYrummYvYxrv0zzzzJIrNrNvNrv(2-1-28)式(2-1-28)即为线性船舶运动数学模型,它和由整体模型观点而得到的线性船舶运动方程的形式完全相同。2.1.2线性响应模型一、二阶线性响应模型由式(2-1-28)推导的响应模型一般由两种方法,一种直接消去法,另一种是拉普拉斯变换法,我们采用后一种方法。为使问题简化,假设初始状态为匀速直线运动,则所有运动变量具有零初值0000000rvrvu,这样,经拉普拉斯变换后,方程组(2-1-28)为一代数方程组ymm0sYsrummYsvYssvxrvzzzzJISNsrNsvNssrrv(2-1-29)其中,tvLsv,trLsr,tLs。由此可解得舵角到转首角速度r的传递函数为111213sTsTsTKssrsH(2-1-30)其中,CJImmTTzzzzy21;CYJINmmTTvzzzzry21CYNYNKvv;vvyYNYNNmmT3;0ummYNNYCxrvrv。同理可得舵角到横漂速度v的传递函数,但在实际应用中,在技术上人们对转首运动r要比对横向速度v考虑得多。这在另一方面也是因为在实船或自航船模试验中,航向或转首角速度r的测量比较容易,而对横向速度v到目前为止还没江苏科技大学毕业论文(论文)12有足够精确的测量设备。特别是对于实船,更是如此。所以我们仅考虑转首运动。二、一阶线性模型船舶运动时呈现出非常大的惯性,并且操舵机构的能量有限,能提供的舵叶运动速度通常低于s/30,因此船舶运动具有低频特征。传递函数式(2-1-30)在低频下可降阶为一阶模型1TsKssrsH(2-1-31)其中,K与式(2-1-30)中的相同,且321TTTT。相应地,二阶转首响应方程也可近似简化为一阶转首响应方程,即KrrT(2-1-32)其暂态响应方程如下/TtTeTtKt(2-1-33)通过前面的计算求出操纵性指数K、T,给出舵角则可计算出t时间后的转头角t。将式(2-1-32)积分求解,可得到TtCeKr/(2-1-34)式中C为积分常数。若在正舵直进中开始操舵,在初始条件0t时,0r,可得到操舵开始后的r变化为1/TteKr(2-1-35)因此船舶操舵以后的旋回角速度将取决于K和T的值。2.2船舶运动的风、流干扰力数学模型无论是研究船舶操纵运动仿真还是船舶运动的闭环控制,都要求有相当准确地描述自然环境、海况和气象环境造成的作用于船体上的干扰力的数学模型。本文仅考虑风与流对船舶运动的影响。由于风、流的干扰具有明显的随机性,故建立风、流的干扰力模型较对船舶本身的动态研究困难更大。本节就从比较实用的角度介绍风、流干扰的物理本质,干扰力的计算方法不是那么的精确,只是想让大家认识到风、流对于船舶运动的大致影响。江苏科技大学毕业论文(论文)132.2.1风的干扰力数学模型船舶在海上或港内航行时,其上层建筑将受风力的作用,致使船舶偏离航向或引起操船困难。特别是在港内低速航行时,风力对操纵性的影响尤为显著。了解船舶在风中的操纵运动性能,可避免产生事故,还可以利用风力的作用来增加船舶操纵的灵活性。风作用在船体上层建筑以上造成流体动力aF和力矩aM,在船舶平面运动情况下,具有分量aX、aY和aN。在船舶上感受的风,风速和风向与实际的不同,原因在于船速的影响。我们将实际风速、风向称为绝对风速、绝对风向;将船舶上感受到的风速、风向称为相对风速、相对风向。下面介绍作用于船体上的平均风压力和力矩的计算。一、船体上的风压力和力矩的计算作用于船舶的风力aF其值可用Hughes公式予以估算3sincos21222aaaaaaBAvCF(2-2-1)式中aF为水线上船体所受风力;a为空气密度;aC为风力系数;av为相对风速,sm/;为相对风舷角;aA为水线上船体正面投影面积;aB为水线上船体侧面投影面积。相对风速av和风舷角可用船上的风速仪测得,受风面积可以从该船资料中根据不同吃水求得。风力系数aC、风动力作用点至船首的距离a以及风动力角等值,根据船体上层建筑的形状、布局的不同及风向的不同而有差异,一般用实船风洞试验获得4。表1是根据各个船舶风洞试验结果得到的。表1aC、、a和变

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