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拓撲結(jié)構(gòu)范文第1篇

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；定量評價；對比分析

中圖分類號：TP393

1 網(wǎng)絡(luò)拓撲概述

網(wǎng)絡(luò)拓撲是網(wǎng)絡(luò)的形狀，或者它在物理上的連通性，網(wǎng)絡(luò)拓撲所關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系以及其圖形表示，并不在意其所連接的節(jié)點的各種細節(jié)，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有節(jié)點和鏈路組成，本文所研究的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括總線型、環(huán)形、星形、樹形、胖樹形、網(wǎng)格、分布式、full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的評價指標

本文所研究的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)都是靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生改變。其評價指標主要有：（1）節(jié)點的度：與節(jié)點相連接的邊的數(shù)目，模塊化設(shè)計要求節(jié)點的度保持恒定。（2）距離：兩個節(jié)點之間相連的最少邊數(shù)。（3）網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間距離的的最大值。（4）對稱性：從任何節(jié)點看，拓撲結(jié)構(gòu)都一樣，這樣的網(wǎng)絡(luò)模擬編程比較容易。

3 各種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其分析

3.1 總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

總線型拓撲結(jié)構(gòu)是采用單根傳輸線作為總線，將網(wǎng)絡(luò)中所有的站點通過相應(yīng)的接口和電纜直接連接到這根共享的總線上，這些站點共享一條數(shù)據(jù)通道。任何一個節(jié)點信息都可以沿著總線向兩個方向傳播擴散，并且能被總線中任何一個節(jié)點所接收。在總線型結(jié)構(gòu)中，設(shè)節(jié)點數(shù)為N，則鏈路數(shù)為N+1；每個節(jié)點的度為1，對于結(jié)構(gòu)的模塊化比較方便；網(wǎng)絡(luò)直徑定義為2，信息傳送相對比較快速；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不對稱。總線型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：易于分布，擴充方便；其主鏈路為雙向通道，便于信息進行網(wǎng)播式傳播；分布式控制；結(jié)構(gòu)可靠性較高；系統(tǒng)的可擴充性較高。

總線型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點：故障診斷困難；故障隔離困難；對節(jié)點要求較高，每個節(jié)點都要有介質(zhì)訪問控制功能；所有的工作站通信均通過一條共用的總線，實時性很差。

3.2 環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)中各節(jié)點通過環(huán)路接口連在一條首尾相連的閉合環(huán)型通信線路中，環(huán)路中各節(jié)點地位相同，環(huán)路上任何節(jié)點均可請求發(fā)送信息，請求一旦被批準，便可以向環(huán)路發(fā)送信息。這種結(jié)構(gòu)使公共傳輸電纜組成環(huán)形連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中只能單向傳輸。對于有N個節(jié)點的環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，鏈路數(shù)為N；直徑為N-1，不同的節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時間差距比較大；節(jié)點的度為2，對于模塊化也比較方便，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：兩個節(jié)點間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇的控制；某個節(jié)點發(fā)生故障時，可以自動旁路，可靠性較高；所需電纜長度比星型拓撲要短得多。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點：要擴充網(wǎng)絡(luò)中環(huán)的配置或關(guān)閉一些已連入環(huán)的站點，都會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運行；當節(jié)點過多時，影響傳輸效率，但當網(wǎng)絡(luò)確定時，其延時固定，實時性強。

3.3 星型拓撲結(jié)構(gòu)

星型拓撲結(jié)構(gòu)是一種以中央節(jié)點為中心，把若干節(jié)點連接起來的輻射式互聯(lián)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過點到點的方式連接到一個中央節(jié)點上，由該中央節(jié)點向目的節(jié)點傳送信息。中央節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制策略，因此中央節(jié)點相當復(fù)雜，負擔比各節(jié)點重得多。對于有N個節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)，鏈路數(shù)為N-1，網(wǎng)絡(luò)直徑為2，不同節(jié)點之間消息傳送時延恒定；最大節(jié)點度為N-1；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱。星型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，便于大型網(wǎng)絡(luò)的維護和調(diào)試；控制簡單；網(wǎng)絡(luò)延遲時間較短，誤碼率較低；每個連接只接一個設(shè)備，單個連接的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。星型結(jié)構(gòu)的缺點：一條通信線路只被該線路上的中央節(jié)點和一個站點使用，因此線路利用率不高；對中央節(jié)點的依賴性較強，所以對中央節(jié)點的可靠性和冗余度要求較高。

3.4 樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實際上是星型拓撲結(jié)構(gòu)的擴展。在樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是分層進行連接，越是靠近根節(jié)點，節(jié)點位置越靠近主干，節(jié)點的穩(wěn)定性越重要；越是靠近葉子節(jié)點，節(jié)點的重要性相對也降低，節(jié)點的功能喪失對整個系統(tǒng)的影響相對減小。任何一個節(jié)點送出的信息都由根接收后重新發(fā)送到所有的節(jié)點，可以傳遍整個傳輸介質(zhì)，也是廣播式網(wǎng)。對于特殊的樹形結(jié)構(gòu)完全二叉樹，N=2^k-1個節(jié)點，大多數(shù)節(jié)點的度為3，對于結(jié)構(gòu)的模塊化很方便，直徑為2（k-1）反映了樹形結(jié)構(gòu)兩個節(jié)點之間傳輸信息的最大代價，另外樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不對稱。樹形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：易于擴展，有較強的可折疊性，故障隔離容易，樹形結(jié)構(gòu)可以減少布線投資。樹形結(jié)構(gòu)的缺點：一旦靠近根節(jié)點的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都將癱瘓，對靠近根節(jié)點的安全性，穩(wěn)定性要求很高

3.5 胖樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

胖樹是樹型拓撲結(jié)構(gòu)的擴展。它具有樹型拓撲結(jié)構(gòu)的層次特性，可以向下擴展，但是和樹型不同的是在層次之間，層次之間采用了一種類似全連接的方式來建立拓撲，例如第二層的任一節(jié)點跟第三層及第一層的所有節(jié)點之間都有連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中信息的交換主要也是發(fā)生在層次之間，同層的節(jié)點信息沒有交換。設(shè)胖數(shù)的層數(shù)為n，每層的節(jié)點數(shù)分別為x1，x2，…xn，則胖數(shù)中總的節(jié)點數(shù)為s=x1+x2+…xn，第i層節(jié)點的度=第i-1層的度+第i+1層的度，每一次節(jié)點的度都是一樣的，對于模塊化也是比較方便的。網(wǎng)絡(luò)的直徑為n-1，網(wǎng)絡(luò)的通信速度會更加的快。不對稱。胖樹拓撲的優(yōu)點：相比樹型拓撲，網(wǎng)絡(luò)的健壯性受根節(jié)點附近節(jié)點影響明顯減弱，某一個中央處理設(shè)備癱瘓后，底層節(jié)點還可以通過其他的路徑來傳送信息，拓撲結(jié)構(gòu)更加的安全穩(wěn)定；易于擴展；網(wǎng)絡(luò)中信息交換的速度與樹形結(jié)構(gòu)相比也有明顯的加快。胖樹拓撲的缺點：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，當節(jié)點很多的時候，建立拓撲速度會比較慢；網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)明顯增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的造價相對比較高。

3.6 網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種比較比較規(guī)律的結(jié)構(gòu)，就像我們畫出的表格一樣，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占據(jù)表格的一個節(jié)點，網(wǎng)格拓撲的大小取決于網(wǎng)格的行數(shù)和列數(shù)，除了邊界和頂點節(jié)點網(wǎng)格中的每一個節(jié)點的鄰居為4，其可靠性和穩(wěn)定性都比較好，不會因為某一個節(jié)點的功能喪失而影響整個網(wǎng)絡(luò)。對于有N個節(jié)點的r*r的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有2N-2r條鏈路，直徑為2（r-1），網(wǎng)絡(luò)通信開銷相對比較大，節(jié)點的度為4，對于拓撲模型的模塊化比較有利。網(wǎng)格拓撲的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較的清晰，規(guī)律，模型構(gòu)建容易；網(wǎng)格拓撲的缺點：網(wǎng)絡(luò)連接復(fù)雜，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的成本也比較的大

3.7 分布式拓撲結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)是將分布在不同地點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過線路互連起來的一種網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)中任一點均至少與兩條線路相連，當任意一條線路發(fā)生故障時，通信可轉(zhuǎn)經(jīng)其他鏈路完成，具有較高的可靠性。同時，網(wǎng)絡(luò)易于擴充。分布式拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)點：采用分散控制，即使整個網(wǎng)絡(luò)中的某個局部出現(xiàn)故障，也不會影響全網(wǎng)的操作，可靠性好；各個節(jié)點間均可以直接建立數(shù)據(jù)鏈路，信息流程最短；便于全網(wǎng)范圍內(nèi)的資源共享。分布式拓撲結(jié)構(gòu)缺點：連接線路用電纜長，造價高；網(wǎng)絡(luò)管理軟件復(fù)雜；報文分組交換、路徑選擇、流向控制復(fù)雜；在一般局域網(wǎng)中不采用這種結(jié)構(gòu)。

3.8 全鏈接（Full-mesh）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

Full-mesh是分布式結(jié)構(gòu)的一殊情況，F(xiàn)ull-mesh是所有的節(jié)點之間都有直接連接的方式，是帶弦環(huán)的一種特殊情形在full-mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都要么有一條物理電路要么有一條虛擬電路與所有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相連。Full-mesh提供了大量的冗余，從而可以保證網(wǎng)絡(luò)通道的安全性和穩(wěn)定性。對與有N個節(jié)點的full-mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)為n（n-1）/2，和相同節(jié)點的其他網(wǎng)絡(luò)相比，full-mesh的通信鏈路最多。網(wǎng)絡(luò)直徑為1，這也說明了上邊的分析，網(wǎng)絡(luò)通信非常的方便，這方面性能比其他的網(wǎng)絡(luò)有更大的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)的度為N-1，節(jié)點的度恒定，這種網(wǎng)絡(luò)對于模塊化也是最好的。Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲的優(yōu)點：在該網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點之間可以通過虛擬通道或者物理通道直接交換信息，當兩個節(jié)點之間的之間鏈路無法進行通信的時候，可以通過其他的線路通信，網(wǎng)絡(luò)通信的延遲以及信息的丟失率會非常的低。Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲的缺點：兩個節(jié)點之間直接連接來進行通信，最大的缺點就是當節(jié)點數(shù)量巨大的時候，網(wǎng)絡(luò)鏈路將會爆炸性的增長，造成嚴重的資源浪費和管理上的困難。

4 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連所呈現(xiàn)出的物理布局，它能反映出網(wǎng)絡(luò)中各實體間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。總線型拓撲結(jié)構(gòu)主要用于計算機數(shù)目相對較少的局域網(wǎng)中，以太網(wǎng)是典型的總線型局域網(wǎng)；環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)中使用較多，尤其是實時性要求較高的環(huán)境中；星型拓撲結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中智能集中于中央節(jié)點的場合；樹型拓撲結(jié)構(gòu)是一種廣播式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；胖樹型拓撲結(jié)構(gòu)的性能要比樹型結(jié)構(gòu)優(yōu)越，信息交換速度更快；網(wǎng)格型拓撲結(jié)構(gòu)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性；分布式拓撲結(jié)構(gòu)的路徑選擇、流向控制比較復(fù)雜，在一般局域網(wǎng)中不采用這種結(jié)構(gòu)；Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是一種特殊的分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通道的安全性和穩(wěn)定性較高。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)信息，它是網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)模擬和信息收集的基礎(chǔ)，同時也是網(wǎng)絡(luò)安全評估和實施網(wǎng)絡(luò)攻擊的前提。因此對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的研究具有十分重要的意義。

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拓撲結(jié)構(gòu)范文第2篇

關(guān)鍵詞：高壓變頻器； 拓撲結(jié)構(gòu)； 混合級聯(lián)型； 模塊化； 多電平變換電路

中圖分類號：TN323 文獻標識碼：A

文章編號：2095-1302(2011)10-0062-05

Topological Structure of Converters with High-pressure and High-power

QIU Feng1, FENG Jiang-hua2, HU Jia-xi2

(1.School of Electrical and Information, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412001, China;

2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute Co. Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Abstract： The topological structure of several commonly used converters with high-pressure and high-power are compared. The latest research results about topological structure of converters with high-pressure and high-power at home and abroad in recent years are introduced. The development trends of high-pressure high-power inverter technology and multi-level circuit topology structure are proposed.

Keywords： high-voltage converter; topology; hybrid cascade-type; modular; multi-level conversion circuit

0 引 言

高壓變頻器通常指供電電壓在3 kV的大功率變頻器，目前實際應(yīng)用的主要電壓等級有3 kV(3.3 kV)、6 kV(6.6 kV、6.9 kV)和10 kV 。在能源危機和環(huán)境污染日益嚴重的社會發(fā)展中，各國政府都開始增強節(jié)能減排的意識，重視節(jié)能應(yīng)用，我國“十一五”與“十二五”規(guī)劃均提出節(jié)約能源的重要性；同時能源價格的日益增長，讓許多重工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)更加重視高壓電氣裝備的長遠投資。理論分析結(jié)果以及實際應(yīng)用的狀況，均表明高壓變頻器在節(jié)能改造方面具有巨大的潛力，有著廣闊的發(fā)展前景。

到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣有近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。起初，高壓變頻調(diào)速采用高-低-高的方式，即經(jīng)過升降壓變壓器，實質(zhì)上依然是低壓變頻器。然后出現(xiàn)了高-高直接式中壓變頻器。根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。由于交-交變頻器調(diào)速范圍窄，需要無功補償和濾波裝置，造價成本很高且占地面積大，所以逐漸被交-直-交中壓變頻器所代替。對于交-直-交變頻器，根據(jù)直流環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的不同，可以劃分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器，電流源型中壓變頻器的中間濾波環(huán)節(jié)采用的是大容量電感，而電壓源型中壓變頻器中間濾波器采用的是大容量電容。由于電流源型中壓變頻器對電網(wǎng)電壓波動和負載特性非常敏感，現(xiàn)場調(diào)試非常麻煩，因而使其無法像電壓源型變頻器一樣普及應(yīng)用。

本文所研究的高壓變頻器屬于交-直-交電壓型多電平變頻器。本文將對國內(nèi)外幾種主要的高壓大功率變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)進行綜述和研究，并在此基礎(chǔ)上，從進一步提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，對高壓變頻器技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。

1 二極管箝位型變換電路

日本學(xué)者A.Nabae于80年代初提出了中點箝位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)，該電路又稱二極管箝位多電平變換電路。圖1是二極管箝位型五電平變換器的單相電路，該電路的每相橋臂有8個開關(guān)器件S1～S8串聯(lián)，每4個開關(guān)器件同時處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，其中(S1，S5)、(S2，S6)、(S3，S7)、(S4，S8)為互補工作的開關(guān)對，也即當其中的一個開關(guān)導(dǎo)通時，另一個關(guān)斷。對于n電平的二極管箝位型變換拓撲，每個橋臂需要(n-1)個直流分壓電容，2(n-1)個主開關(guān)器件，(n-1)(n-2)個箝位二極管。通過組合3個相同的單臂電路，并利用相同的分壓電容，就可以很容易地得到三相電路。

在普通二極管箝位型多電平變換電路中，箝位二極管的阻斷電壓與開關(guān)器件的承受電壓相同，變頻器電平數(shù)越多，串聯(lián)的箝位二極管器件就越多。例如在圖1(a)中， VDc2 、VDc5由3個相同的二極管串聯(lián)；VDc3和VDc4由兩個相同的二極管串聯(lián)。由于二極管特性參數(shù)不一致會導(dǎo)致所串聯(lián)的二級管電壓存在偏差，而偏差太大會造成二極管器件損壞，因而需要均壓措施和RC吸收電路，但這又導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，成本增加。為了解決這一問題，本文提出了一種改進型拓撲結(jié)構(gòu)［1］，如圖1(b)所示。這種拓撲所用的功率器件數(shù)量和傳統(tǒng)拓撲一樣，通過改變箝位二極管直接的連接關(guān)系，直接和間接地將二極管的電壓箝在單電平電壓之內(nèi)，從而使得阻斷電壓為每個電容上的電壓，在電平數(shù)較多的情況下，該電路比普通二極管箝位電路具有較大的優(yōu)越性。

隨電平數(shù)的增加，箝位二極管的數(shù)量以電平數(shù)二次方的規(guī)律遞增，所以當電平數(shù)較高時，就會需要大量的箝位二極管，從而使系統(tǒng)在布局上難以實現(xiàn)。目前，應(yīng)用于大容量的實用化拓撲，基本上都是二極管箝位型三電平逆變器，因為該逆變器只有兩個直流分壓電容，它的中點電位控制相對簡單。該類結(jié)構(gòu)若要進一步發(fā)展，其研究的重點將是如何通過軟硬件結(jié)合的方式控制中點電容電壓平衡，從而實現(xiàn)更高電壓等級的應(yīng)用。目前，此類結(jié)構(gòu)最有可能得到實際應(yīng)用的是“背靠背”式多電平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以控制電容中點電壓平衡，提高電壓等級，而且還可以實現(xiàn)電機的四象限運行。

2 飛跨電容箝位型變換電路

飛跨電容箝位型拓撲結(jié)構(gòu)最早是由T.A.Meynard和H.Foch在1992年的PESC會議上提出的。圖2所示是一個飛跨電容箝位型五電平逆變器的單相電路。由圖2可見，飛跨電容箝位型五電平主電路只是用飛跨電容取代箝位二極管，其工作原理與二極管箝位電路相似。這種拓撲結(jié)構(gòu)雖然省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。不過，由于電容的引進，電壓合成的選擇增多，開關(guān)狀態(tài)的選擇更加靈活，通過在同一電平上不同開關(guān)狀態(tài)的組合，可使電容電壓保持均衡。對于一個n電平的飛跨電容型電路，每個橋臂需要2(n-1)個開關(guān)器件，(n-1)個直流分壓電容以及(n-1)(n-2)/2個箝位電容。

這種變換電路的優(yōu)點是開關(guān)方式靈活、對功率器件保護能力較強，它既能控制有功功率，又能控制無功功率，適合高壓直流輸電系統(tǒng)等，但控制方法非常復(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低，對高壓系統(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難，通常生產(chǎn)應(yīng)用一般不采用該電路結(jié)構(gòu)。為了用較少的飛跨電容實現(xiàn)較多的電平輸出，文獻［2］提出了一種全二進制組合的浮動電壓源逆變器拓撲。在該拓撲中，通過改變飛跨電容的電壓比，可使每個開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)一個輸出電平。

3 H橋式級聯(lián)型變換電路

在獨立直流電源的級聯(lián)型變換電路中，最基本的是H橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖3所示是一種H橋式級聯(lián)型五電平逆變器三相電路。這種電路不需要大量箝位二極管和飛跨電容，但每個基本單元都需要用一個獨立的直流電源來實現(xiàn)箝位功能，一般可通過多輸出繞組變壓器經(jīng)整流后實現(xiàn)。

通過單相電壓的計算可知，當其電路接成三相時，可以達到10 kV以上的輸出，輸出的電壓波形更接近正弦，可不用輸出濾波器，同時網(wǎng)側(cè)電流諧波較小。在控制方面不存在電容電壓動態(tài)控制問題，在實現(xiàn)上相對比較容易。

雖然使用單獨的直流電源可使電路的各單元彼此隔離，解決單元級聯(lián)時的動態(tài)均壓和電壓箱位問題，但是輸出電壓等級越高，串聯(lián)功率單元數(shù)也越多，這樣，所需的移相隔離變壓器的副邊繞組也很多，而移相隔離變壓器體積大、接線復(fù)雜，這會使制造難度增加，成本也增加很多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜。為此，越來越多的文獻都對H橋級聯(lián)型拓撲進行改進。

在1998年的IEEE APEC會議上，M.D.Manjrekar等人提出了混合七電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對不同單元采用不同的直流電壓，可以用較少的級聯(lián)單元得到較多的輸出電平。圖4給出混合七電平級聯(lián)型逆變器的三相電路，電路中電壓高的H橋單元功率開關(guān)元件采用IGCT，電壓低的H橋單元則采用IGBT，從而形成不對稱級聯(lián)型多電平拓撲。而且耐壓值較高、開關(guān)頻率較低的IGCT功率單元采用切換頻率為輸出電壓的基波頻率；耐壓值較低、開關(guān)頻率較高的IGBT功率單元采用PWM調(diào)制，這樣既可滿足功率要求，又可減小諧波。這種拓撲結(jié)構(gòu)綜合利用了這兩種功率器件的高電壓阻斷能力和快速開關(guān)能力，同其他類型多電平逆變器相比，在輸出相同電平數(shù)的情況下，其需要的功率器件最少。

如果將圖4中具有公共端的三組H橋逆變電路用三電平NPC逆變器代替，則可構(gòu)成圖5所示的多電平拓撲。在該拓撲中，一個三電平單相逆變橋與一個兩電平H橋逆變電路串聯(lián)組成一相，前者輸出為五電平，可提供主要的基波電壓和大部分輸出功率，稱為主逆變橋。后者輸出為三電平，可提供輔助的改善波形的電壓和小部分輸出功率，稱為輔助逆變電路。從逆變器的開關(guān)模式和輸出電壓效果來看，該拓撲結(jié)構(gòu)與圖3所示的拓撲結(jié)構(gòu)是等效的，因此，將該拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器稱為5/3主從式混合多電平逆變器［3］。分析表明，這種改進的H橋級聯(lián)多電平拓撲所使用的器件數(shù)量比其他類型多電平逆變器減少了1/3［4］。此外，H橋結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展還可降低成本，提高效率(例如加入儲能單元等混合拓撲結(jié)構(gòu))。

4 直接串聯(lián)式變換電路

事實上，串并聯(lián)在一起的各個器件，可看作單個器件使用，其控制也是完全相同的。從圖6所示的直接串聯(lián)IGBT中壓變頻器主電路可以看出，電網(wǎng)電壓經(jīng)過高壓二極管整流和電容濾波后，再經(jīng)過逆變器進行逆變，然后通過適當?shù)臑V波器，就可簡單易行的實現(xiàn)高壓輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可利用較為成熟的低壓變頻器電路拓撲、控制策略和控制方法。但器件在串聯(lián)使用時，由于各器件的動態(tài)電阻和極間電容不同，故會存在靜態(tài)和動態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施，也會使電路復(fù)雜且損耗增加；此外，器件的串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也會大大提高，故要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷，否則，由于各器件開斷時間不一致，承受電壓不均，可能會導(dǎo)致器件損壞甚至整個裝置崩潰。

5 模塊化多電平變換電路

隨著電平數(shù)的增多，箝位型拓撲結(jié)構(gòu)所需的半導(dǎo)體器件的數(shù)量急劇增加，電容電壓不容易平衡，需采用復(fù)雜的電壓控制策略，但這會限制這類拓撲的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。H橋型級聯(lián)多電平變頻器所需的半導(dǎo)體器件數(shù)量明顯少于中點箝位型拓撲結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用在有功功率變換的場合時，需要多個獨立直流電源，這又限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決上述問題，本文提出了一種新的拓撲結(jié)構(gòu)：模塊組合多電平變頻器(Modular Multilevel Converter:以下簡稱MMC)。

MMC按組成電路拓撲結(jié)構(gòu)的不同可分為三種拓撲結(jié)構(gòu)：第一種是星型模塊化多電平變頻器的拓撲，其結(jié)構(gòu)如圖7(a)，實際上該電路就是H橋級聯(lián)型多電平變頻器；第二種是三角型模塊化多電平變頻器的拓撲，其結(jié)構(gòu)如圖7(b)；第三種是模塊化多電平變頻器的拓撲，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，該結(jié)構(gòu)［5］是SIEMENS公司提出的，其中，第一種和第二種結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)能量的變換，即將模塊直流側(cè)能量傳送給交流電網(wǎng)，但各個子模塊直流側(cè)需要獨立的直流電源，而這兩類拓撲結(jié)構(gòu)均不存在公共的直流側(cè)，因而不適用于需要統(tǒng)一直流側(cè)的變頻器應(yīng)用場合。

在圖8中，n+1電平模塊化變頻器每相由2n個子模塊SM(Sub-Modular)和2個電抗器組成，SM的結(jié)構(gòu)可以是單相H橋結(jié)構(gòu)或單相半H橋結(jié)構(gòu)。一個子模塊共有3種開關(guān)狀態(tài)：第一種是2個IGBT(T1、T2)均關(guān)閉；第二種是T1導(dǎo)通，T2關(guān)閉，這時SM輸出電壓為電容電壓,稱為投入狀態(tài)；第三種是T1關(guān)閉，T2導(dǎo)通，這時SM輸出電壓為0，稱為切除狀態(tài)。

這樣，可以通過觸發(fā)來控制SM的輸出電壓。出于模塊化設(shè)計和制造的目的,各子模塊的額定值相同，輸入側(cè)與輸出側(cè)的6個橋臂電抗值也相等。MMC正常工作有2個條件：

直流電壓的維持，對圖8來說就是3個相單元中處于投入狀態(tài)的SM數(shù)都相等且不變，并使UA=UB=UC；

三相交流電壓的輸出調(diào)節(jié)，就是通過對3個相單元上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的SM數(shù)進行分配而實現(xiàn)對變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。

MMC可以實現(xiàn)整流和逆變狀態(tài)，并進行四象限運行，具有嚴格的模塊化結(jié)構(gòu)和良好的控制特性，適用于高壓大功率領(lǐng)域。MMC在獲得多電平輸出的同時，還能有效降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率，不僅減少了諧波和高頻干擾，同時也可降低開關(guān)損耗。其次，MMC允許使用標準化元件，可以在采用相同器件的前提下向不同的功率和電壓等級擴展，因而無需使用變壓器就可應(yīng)用于高壓直流輸電、新能源并網(wǎng)、牽引供電等中高壓大功率的場合。最后，MMC易于模塊化組合，而且設(shè)計靈活，利于普及。

6 結(jié) 論

本文對目前幾種常見的高壓大功率變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)特點進行了分析。目前二極管箝位型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了很成熟的應(yīng)用，但是，由于其母線中點電容電壓難以控制平衡，因此，該結(jié)構(gòu)僅可使用于7電平以下的電路。現(xiàn)在，高壓變頻器應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛采用H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)高電壓，且在輸入側(cè)采用了特殊制造的移相變壓器，可以避免對電網(wǎng)的諧波污染。而與此同時，模塊化多電平變頻器的引入，也開闊了高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)。從這些結(jié)構(gòu)中可以看出各種多電平電路的拓撲結(jié)構(gòu)都是向著高效率、高性能、高電壓、高可靠性、低成本等方向發(fā)展，主要目的是使高壓變頻器變得更加實用。

參 考 文 獻

［1］何湘寧.多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

［2］KOU Xiaomin, CORZINE Keth A. Full binary combination scheme for floating voltage source multilevel inverters ［J］. IEEE Trans. on Power Electronics, 2002, 17(6): 891-897.

［3］丁凱,鄒云屏,王展,等.一種適用于高壓大功率的新型混合二極管箝位級聯(lián)多電平變換器［J］.中國電機工程學(xué)報,2004,24(9):62-67.

［4］費萬民,呂征宇,姚文熙,等.主從式級聯(lián)多電平變換器及其控制方法的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報,2004(19):61-66.

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拓撲結(jié)構(gòu)范文第3篇

關(guān)鍵詞：拓撲結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì) 表面吸附

0 引言

眾所周知，細胞對材料表面的響應(yīng)，是通過附著在材料表面的蛋白的組成、構(gòu)象和分布而實現(xiàn)的，所以細胞對納米拓撲結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最終由表面吸附的蛋白層傳遞。當植入材料與生物體接觸時，蛋白質(zhì)將自發(fā)地吸附到材料表面，形成蛋白質(zhì)層，并受各種因素的影響，主要包括蛋白質(zhì)自身的性質(zhì)、材料表面性質(zhì)以及所處的生物環(huán)境。在眾多的影響因素中，材料表面的拓撲結(jié)構(gòu)是尤其重要的影響因素之一。盡管近年來二維拓撲結(jié)構(gòu)對蛋白及細胞的影響有了廣泛的報道，但隱藏于現(xiàn)象背后的機理，細胞的感知，細胞間信號傳導(dǎo)以及對納米拓撲結(jié)構(gòu)的長期反應(yīng)仍鮮有報道并迫切需要得到解答。因此，探討蛋白質(zhì)對材料表面納米拓撲結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，將對我們理解生物分子、細胞、材料表面所構(gòu)成的非常復(fù)雜的體系有極大的促進作用。

1 規(guī)則圖形

目前所見的規(guī)則圖形主要包括溝槽、金字塔、凹坑或凸起三類。目前對于這三類規(guī)則圖形的研究已經(jīng)有了一定的成果。Calli等人通過局部陽極氧化法在硅和鈦表面制得了與蛋白質(zhì)尺寸大小相似的納米凹槽結(jié)構(gòu)，觀察結(jié)果表明，在硅表面，F(xiàn)-肌動蛋白在納米凹槽區(qū)域附近的吸附量比在平整區(qū)域要低很多，有沿著納米凹槽吸附的傾向，研究發(fā)現(xiàn)，納米金字塔拓撲結(jié)構(gòu)對牛γ-球蛋白的吸附及其活性有明顯影響，其吸附量比在平整表面的吸附量顯著增加，而且其相對活性隨著表面納米金字塔堆積的密度增加而降低。對于凹坑/凸起結(jié)構(gòu)對蛋白吸附的影響尚無定論，Sutherland等人在材料表面制得了直徑40nm、深度10nm的凹陷結(jié)構(gòu)，并分別在納米凹陷結(jié)構(gòu)和平整表面吸附纖維蛋白原。測試結(jié)果表明，蛋白質(zhì)在這兩種表面上的吸附量相似。而通過血液檢測則發(fā)現(xiàn)在納米凹陷結(jié)構(gòu)處血小板數(shù)量更多。推測這是由于表面的構(gòu)象和取向更有利于纖維蛋白原與血小板膜上的受體結(jié)合，使得血小板的黏附增多。

2 球面

在納米蛋白藥物控制釋放體系中，藥物載體多為球形表面，這些彎曲表面的曲面曲率會對蛋白質(zhì)等生物分子產(chǎn)生影響。Roach等人在15-165nm范圍內(nèi)不同親疏水性Si微粒對蛋白變性與曲率的關(guān)系進行研究，提出了球狀蛋白和棒狀蛋白（纖維蛋白原）在不同曲率微粒上吸附的模型，認為球狀蛋白在大曲率球面上其構(gòu)象傾向于保持原狀，而棒狀蛋白在大曲率球面上傾向于變形，包裹球面。

3 粗糙表面

Cai和Han等人的實驗結(jié)果表明，粗糙度與吸附量之間沒有線性關(guān)系，粗糙度對蛋白質(zhì)的吸附量沒有顯著影響。而Rechendorff等的研究結(jié)果表明，增大表面粗糙度可提高蛋白質(zhì)的吸附量。眾多結(jié)果表明，納米級的粗糙度會影響蛋白質(zhì)的吸附行為，應(yīng)該重視粗糙度這一因素對材料生物相容性的影響。

4 結(jié)束語

一般而言，納米尺度拓撲結(jié)構(gòu)可有效影響蛋白粘附和細胞行為，這使得拓撲結(jié)構(gòu)成為生物體系與人工材料界面間的關(guān)鍵影響因素。納米拓撲結(jié)構(gòu)有望成為生物醫(yī)用材料調(diào)節(jié)細胞的方式。納米拓撲結(jié)構(gòu)與生物蛋白吸附之間的研究正處于起步階段。而目前的研究表現(xiàn)出了納米結(jié)構(gòu)影響蛋白吸附不僅取決于尺寸分布，其形態(tài)特征也有著顯著影響。另外，不同的納米結(jié)構(gòu)對于不同的蛋白有著不同的影響。而在體內(nèi)環(huán)境中，微結(jié)構(gòu)將面對多種蛋白同時存在并隨時而變的復(fù)雜體系，研究這其中的相互關(guān)系將會是一個巨大的挑戰(zhàn)。

參考文獻：

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拓撲結(jié)構(gòu)范文第4篇

1無線無線網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

無線無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，分別是核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和無線接入網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。其中無線接入網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中基站的主要功能是完成Uu口數(shù)據(jù)的對接以及RNC信息資源的管理，基站將Uu口數(shù)據(jù)映射至無線傳輸信道上，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息經(jīng)過時分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)原理，具體如圖1所示，最終將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過空中接口，還原至接收終端系統(tǒng)。然后基站會通過不同的時隙將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至接收器，完成Uu口數(shù)據(jù)的對接。無線射頻天線在構(gòu)架結(jié)構(gòu)上采用雙向傳輸模式，射頻卡經(jīng)過射頻信號的激發(fā)，將數(shù)字信號傳輸至交換設(shè)備，交換設(shè)備通過控制數(shù)字信號的編碼方式，然后將接收的數(shù)字信號傳輸至后臺終端系統(tǒng)，完成整個射頻天線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送與接收。TD-LTE主要從核心層、業(yè)務(wù)層以及傳輸層進行了布點規(guī)劃，核心層提高了數(shù)據(jù)信息處理的速度，減少了基站與客戶端之間數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r間，其次增加了設(shè)備的傳輸功率，對傳輸信道數(shù)據(jù)信號的多徑衰減以及收集具有一定的輔助作用。其次在業(yè)務(wù)層次結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)的處理及交換，現(xiàn)代4G通信融合業(yè)務(wù)中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量大，并且也提高了原有的傳輸速率，減少了客戶接收數(shù)據(jù)的延時性。

2網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題

2.1導(dǎo)頻問題導(dǎo)頻問題的出現(xiàn)會使EC/IO數(shù)據(jù)值降低，還會使通信系統(tǒng)的容量降低，對于距離基站較遠的區(qū)域，無線系統(tǒng)無法接入，導(dǎo)致主導(dǎo)導(dǎo)頻功率的下降。在優(yōu)化措施上要對導(dǎo)頻功率或者對天線方位進行調(diào)整，使其增大天線覆蓋范圍，保證基站發(fā)射的功率信號，使用戶都能夠在有限的距離范圍內(nèi)接收到。若EC/IO的數(shù)據(jù)線出現(xiàn)斷續(xù)時，在解決方案上可將機械角度下調(diào)2°，使原有的2°角轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)有的4°角或者增大2db的發(fā)射功率，保證發(fā)射功率處于穩(wěn)定階段。通過對等優(yōu)化分析，使得路段EC/IO的參數(shù)值明顯提高。例如：若該區(qū)域用戶在導(dǎo)頻上不能將本機的頻率與基站的對應(yīng)頻率進行匹配，通過將基站機械角度下調(diào)后，使得用戶本機的使用頻率在基站導(dǎo)頻頻率范圍內(nèi)，增大了EC/IO的傳輸功率，使得用戶不會出現(xiàn)掉話的現(xiàn)象。

2.2切換問題切換問題便是用戶基站的選用，若一個用戶距離2個基站距離不同，所處基站的發(fā)射功率不同，則會選用的基站也會不同。若用戶到達另一個區(qū)域，選用的基站是另一區(qū)域的基站，則會出現(xiàn)基站切換問題，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因之一是基站發(fā)射功率較弱，手機接收不到近端基站的發(fā)射功率，導(dǎo)致無法進行有效切換。在解決和優(yōu)化措施上對路測采集的信息點數(shù)進行采集，然后在切換方式上采用軟切換，用戶手機在切換至另一個站點時，才會斷開與遠站點數(shù)據(jù)的連接，防止出現(xiàn)掉話的現(xiàn)象。在優(yōu)化措施上便是調(diào)整基站發(fā)射功率，增大基站發(fā)射功率后，基站天線的覆蓋范圍增大，保證在有限區(qū)域內(nèi)，用戶使用者接收到的信號都是來自較近的基站，避免出現(xiàn)一個終端系統(tǒng)同時接收2個不同的信號源，導(dǎo)致手機終端不能正常有效的切換。

2.3覆蓋問題無線無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中EC/IO和RSCP兩個參數(shù)指標都比較低，此時RSCP的參照系數(shù)低于-90dBm。在分析過程中首先考慮地形因素，查看該區(qū)域是否在地鐵、峽谷或者盆地內(nèi)，這些區(qū)域基站射頻信號不易進入，才會導(dǎo)致RSCP參數(shù)值偏低；其次還要考慮此區(qū)域網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的合理性以及設(shè)備參數(shù)的調(diào)整度，假設(shè)該區(qū)域沒有在基站天線覆蓋區(qū)域內(nèi)，應(yīng)調(diào)整天線的俯仰角度，使該區(qū)域包含在覆蓋范圍內(nèi)；而后查看設(shè)備功率參數(shù)的設(shè)置是否合理，若不合理應(yīng)按照設(shè)備具體的參數(shù)值進行對應(yīng)調(diào)整，保證通信設(shè)備的正常運行；再者減少高層建筑的修建，主要是因為高層建筑跨度較大，基站發(fā)射的信號無法穿透墻體，導(dǎo)致對面區(qū)域無法接收到基站發(fā)射的信號；最后在覆蓋問題上還應(yīng)調(diào)整天線的俯仰角度，盡量將天線的覆蓋范圍最大，這樣才能保證覆蓋內(nèi)的區(qū)域接收到信號源。

3無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化措施

單站優(yōu)化查看基站終端設(shè)備的吞吐量、基站的切換頻點以及基站的覆蓋角度等。優(yōu)化項目與評判標準具有一致性，優(yōu)化單站數(shù)據(jù)庫、DT/CQT測試數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)測試更新以及硬件故障處理信息記錄。在對無線環(huán)境優(yōu)化分析中，優(yōu)化的數(shù)據(jù)指標都在通用的標準范圍內(nèi)，RSCP優(yōu)化數(shù)據(jù)指標在80%-90%，MOS優(yōu)化數(shù)據(jù)指標在3-7，DT話音BLER優(yōu)化數(shù)據(jù)指標在94%-98%，以及Tx_Power優(yōu)化數(shù)據(jù)指標在91%-95%。而換用較大增益的天線增大覆蓋區(qū)域，主要指減少相鄰基站信號的重疊，防止出現(xiàn)信號衰減區(qū)。

拓撲結(jié)構(gòu)范文第5篇

關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；空間桁架結(jié)構(gòu)；拓撲優(yōu)化；設(shè)計方案

就目前的建筑技術(shù)而言，空間桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計一般都是采用拓撲優(yōu)化或者采用尺寸優(yōu)化。本文中主要論述了采用拓撲優(yōu)化的設(shè)計方法，。所謂拓撲優(yōu)化，也可以稱之為輪廓優(yōu)化，再往廣義范圍里講，也可以稱之為形狀優(yōu)化。拓撲優(yōu)化大概可以分為離散體與連續(xù)體兩種形式，但在實際的使用中，一般都是采用離散體的拓撲優(yōu)化方法。這種優(yōu)化方法表現(xiàn)在現(xiàn)代建筑的空間桁架結(jié)構(gòu)中，主要是通過相關(guān)測量和調(diào)查，以掌握每個桿件之間的距離大小，然后再使用通過拓撲優(yōu)化的方法來確認是否有桿件的存在。而對于連續(xù)體的方法來講，現(xiàn)有的技術(shù)水平已經(jīng)能夠通過一定的軟件技術(shù)來分析邊界等基礎(chǔ)信息，以得出最優(yōu)的設(shè)計方案，這種技術(shù)的發(fā)展對于空間桁架結(jié)構(gòu)的初期設(shè)計有著重大的意義。以下本文就以連續(xù)體的拓撲優(yōu)化方式，通過采用ANSYS軟件來對空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行優(yōu)化處理。

1、分析空間桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的意義

空間桁架結(jié)構(gòu)作為大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中較常采用的結(jié)構(gòu)形式，其具有材質(zhì)輕、施工簡便以及通透性好等特點，在體育館、海洋館等有著大跨度要求的建筑結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，因此提高其結(jié)構(gòu)設(shè)計水平、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對于保證空間桁架結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，提高桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性來講都有著很重要的意義。而在對空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化時，常常采用ANSYS軟件來對結(jié)構(gòu)進行有限元分析和計算，通過ANSYS軟件的強大計算功能來實現(xiàn)設(shè)計最優(yōu)化的目的。所謂實現(xiàn)設(shè)計最優(yōu)化，就是指在確保結(jié)構(gòu)的安全的前提下，盡可能的減少材料的使用量，降低工程成本。以達到最經(jīng)濟合理的設(shè)計方案。這對于實現(xiàn)節(jié)能建筑理念和可持續(xù)發(fā)展理念在空間桁架結(jié)構(gòu)中的有效運用是有著關(guān)鍵作用的。因此，對空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行拓撲優(yōu)化處理是非常有必要的。

2、建立空間桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計模型

ANSYS拓撲優(yōu)化功能可以用于求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以獲得最大剛度、最小體積或最大自振頻率。拓撲優(yōu)化的原理是在滿足結(jié)構(gòu)體積減小量的條件下使結(jié)構(gòu)的柔度極小化，極小化的結(jié)構(gòu)柔度實際就是要求結(jié)構(gòu)的剛度最大化，優(yōu)化過程是通過自動改變設(shè)計變量，即單元偽密度來實現(xiàn)的。單元偽密度為O的材料為可以刪除的部分，單元偽密度為1的材料為保留的部分。

ANSYS拓撲優(yōu)化功能，模型中只能有下列單元類型：二維平面單元PLANE2和PLANE82，用于平面應(yīng)力或軸對稱問題；三維塊單元SOuD92和SOLID95；殼單元SHELL93。

而在本文研究中的空間桁架結(jié)構(gòu)總體尺寸較大，為5.8 m×5.8 m×25 m，且作用力都集中在結(jié)構(gòu)的外表面。若采用三維實體單元，盡管建模簡單，但計算量大且對機器配置要求高，故采用殼單元SHELL93。

ANSYS程序只對單元類型編號等于1的單元網(wǎng)格進行拓撲優(yōu)化，對于單元類型編號等于或大于2的單元網(wǎng)格部分不進行拓撲優(yōu)化。所以，在劃分模型網(wǎng)格時，必須確保拓撲優(yōu)化的區(qū)域的單元類型編號為l。

優(yōu)化模型根據(jù)與其連接部分結(jié)構(gòu)尺寸條件建立，臂架結(jié)構(gòu)頂部采用板結(jié)構(gòu)焊接形式，本文將確定其為非優(yōu)化區(qū)域，板厚為20 mm，優(yōu)化區(qū)域是由3個面組成的空間三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)，板厚為30 mm。結(jié)構(gòu)頂部前端垂直載荷40 t，結(jié)構(gòu)仰角：8l度。

3、空間桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化及其優(yōu)化結(jié)果

在建立了相應(yīng)的優(yōu)化模型之后，我們對臂架底部鉸接的空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過線性結(jié)構(gòu)靜力分析的手段對其開展了拓撲優(yōu)化?，F(xiàn)將拓撲優(yōu)化的具體過程以及結(jié)果分析分別描述如下，以供參考。

3.1空間桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化過程

ANSYS程序提供了1個專門用于預(yù)定義總體積的拓撲函數(shù)，即VOLUME，它既可作為目標函數(shù)，也可以用于約束條件。本文定義目標函數(shù)為MCOMP，VOLUME減少60%為約束條件，定義目標函數(shù)和約束條件的命令流如下：

…

TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4！

定義多柔度作為拓撲優(yōu)化函數(shù)MCOMP

TOVAR，MCOMP，OBJ ！

定義柔度函數(shù)MCOMP作為拓撲優(yōu)化目標

TOVAR，VOLUME，CON，60 ！

總體積VOLUME減少60%

TODEF，O，O.00l ！

收斂容差為0.0001

TOPITER，20，l ！

最多執(zhí)行20次迭代

…

ANSYS程序提供2種拓撲優(yōu)化方法：一是優(yōu)化準則法；二是連續(xù)凸函數(shù)尋優(yōu)法。前者只適用于以體積作為約束條件的問題；后者可以用于所有的目標函數(shù)和約束條件的組合問題。由于本文是把體積作為約束條件，故選擇優(yōu)化準則法。

3.2空間桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化結(jié)果

在采用ANSYS軟件來對空間桁架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化的過程中，我們在對其進行多次計算后比較分析，發(fā)現(xiàn)了在拓撲優(yōu)化的過程中可以得出下述幾點結(jié)論：

首先，可以從多次反復(fù)計算中看出，空間結(jié)構(gòu)桁架的板厚大小并不構(gòu)成對拓撲優(yōu)化實施的影響，因此可以不必考慮板厚這一因素對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

其次，我們在利用ANSYS對結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化時，并未全面考慮到結(jié)構(gòu)中所使用桿件的長度、細度等問題，因此在其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，若要顧及美觀、或者顧及桿件的長細比、或者顧及到桿件的制造工藝需求等多方面因素時，可以相對調(diào)整優(yōu)化結(jié)果，使桿件的布置有所變動來滿足設(shè)計需求。

第三，ANSYS進行多工況加權(quán)求和時，加權(quán)系數(shù)可以用自己預(yù)先定義的數(shù)組，也可以取加權(quán)系數(shù)均為工況總數(shù)的倒數(shù)，本文取4種工況加權(quán)系數(shù)均為0.25并且加大側(cè)載，優(yōu)化出能承受側(cè)向彎矩的腹桿結(jié)構(gòu)。

第四，在得到的拓撲優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上，利用APDL命令提取和輸出節(jié)點的坐標，得出各節(jié)桿的節(jié)距，可以實現(xiàn)在滿足一定強度條件下桿的截面尺寸優(yōu)化。