拓扑结构
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇拓扑结构范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
拓扑结构范文第1篇
中图分类号：TP393
1 网络拓扑概述
网络拓扑是网络的形状，或者它在物理上的连通性，网络拓扑所关心的是网络的连接关系以及其图形表示，并不在意其所连接的节点的各种细节，计算机网络拓扑结构有节点和链路组成，本文所研究的网络拓扑结构包括总线型、环形、星形、树形、胖树形、网格、分布式、full-mesh网络拓扑结构。
2 网络拓扑结构的评价指标
本文所研究的网络拓扑结构都是静态的网络，网络结构一般不会发生改变。其评价指标主要有：（1）节点的度：与节点相连接的边的数目，模块化设计要求节点的度保持恒定。（2）距离：两个节点之间相连的最少边数。（3）网络直径：网络中任意两个节点之间距离的的最大值。（4）对称性：从任何节点看，拓扑结构都一样，这样的网络模拟编程比较容易。
3 各种不同的网络拓扑结构及其分析
3.1 总线型网络拓扑结构
总线型拓扑结构是采用单根传输线作为总线，将网络中所有的站点通过相应的接口和电缆直接连接到这根共享的总线上，这些站点共享一条数据通道。任何一个节点信息都可以沿着总线向两个方向传播扩散，并且能被总线中任何一个节点所接收。在总线型结构中，设节点数为N，则链路数为N+1；每个节点的度为1，对于结构的模块化比较方便；网络直径定义为2，信息传送相对比较快速；网络拓扑结构不对称。总线型拓扑结构的优点：易于分布，扩充方便；其主链路为双向通道，便于信息进行网播式传播；分布式控制；结构可靠性较高；系统的可扩充性较高。
总线型拓扑结构的缺点：故障诊断困难；故障隔离困难；对节点要求较高，每个节点都要有介质访问控制功能；所有的工作站通信均通过一条共用的总线，实时性很差。
3.2 环型拓扑结构
环型拓扑结构中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路中各节点地位相同，环路上任何节点均可请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中只能单向传输。对于有N个节点的环形拓扑结构，链路数为N；直径为N-1，不同的节点之间网络时间差距比较大；节点的度为2，对于模块化也比较方便，网络结构对称。环型拓扑结构的优点：两个节点间仅有唯一的通路，简化了路径选择的控制；某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高；所需电缆长度比星型拓扑要短得多。环型拓扑结构的缺点：要扩充网络中环的配置或关闭一些已连入环的站点，都会影响网络的正常运行；当节点过多时，影响传输效率，但当网络确定时，其延时固定，实时性强。
3.3 星型拓扑结构
星型拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干节点连接起来的辐射式互联结构。网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多。对于有N个节点的星型网络，链路数为N-1，网络直径为2，不同节点之间消息传送时延恒定；最大节点度为N-1；网络结构对称。星型结构的优点：网络结构简单，便于大型网络的维护和调试；控制简单；网络延迟时间较短，误码率较低；每个连接只接一个设备，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网。星型结构的缺点：一条通信线路只被该线路上的中央节点和一个站点使用，因此线路利用率不高；对中央节点的依赖性较强，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求较高。
3.4 树型网络结构
树型网络结构实际上是星型拓扑结构的扩展。在树型网络结构中，网络节点是分层进行连接，越是靠近根节点，节点位置越靠近主干，节点的稳定性越重要；越是靠近叶子节点，节点的重要性相对也降低，节点的功能丧失对整个系统的影响相对减小。任何一个节点送出的信息都由根接收后重新发送到所有的节点，可以传遍整个传输介质，也是广播式网。对于特殊的树形结构完全二叉树，N=2^k-1个节点，大多数节点的度为3，对于结构的模块化很方便，直径为2（k-1）反映了树形结构两个节点之间传输信息的最大代价，另外树型网络拓扑结构不对称。树形结构的优点：易于扩展，有较强的可折叠性，故障隔离容易，树形结构可以减少布线投资。树形结构的缺点：一旦靠近根节点的系统出现故障，整个系统都将瘫痪，对靠近根节点的安全性，稳定性要求很高
3.5 胖树网络结构
胖树是树型拓扑结构的扩展。它具有树型拓扑结构的层次特性，可以向下扩展，但是和树型不同的是在层次之间，层次之间采用了一种类似全连接的方式来建立拓扑，例如第二层的任一节点跟第三层及第一层的所有节点之间都有连接。网络结构中信息的交换主要也是发生在层次之间，同层的节点信息没有交换。设胖数的层数为n，每层的节点数分别为x1，x2，…xn，则胖数中总的节点数为s=x1+x2+…xn，第i层节点的度=第i-1层的度+第i+1层的度，每一次节点的度都是一样的，对于模块化也是比较方便的。网络的直径为n-1，网络的通信速度会更加的快。不对称。胖树拓扑的优点：相比树型拓扑，网络的健壮性受根节点附近节点影响明显减弱，某一个中央处理设备瘫痪后，底层节点还可以通过其他的路径来传送信息，拓扑结构更加的安全稳定；易于扩展；网络中信息交换的速度与树形结构相比也有明显的加快。胖树拓扑的缺点：网络结构比较复杂，当节点很多的时候，建立拓扑速度会比较慢；网络中的链路数明显增多，网络结构建模的造价相对比较高。
3.6 网格拓扑结构
网格结构是一种比较比较规律的结构，就像我们画出的表格一样，每个网络节点占据表格的一个节点，网格拓扑的大小取决于网格的行数和列数，除了边界和顶点节点网格中的每一个节点的邻居为4，其可靠性和稳定性都比较好，不会因为某一个节点的功能丧失而影响整个网络。对于有N个节点的r*r的网格结构，有2N-2r条链路，直径为2（r-1），网络通信开销相对比较大，节点的度为4，对于拓扑模型的模块化比较有利。网格拓扑的优点：结构比较的清晰，规律，模型构建容易；网格拓扑的缺点：网络连接复杂，构建网络的成本也比较的大
3.7 分布式拓扑结构
分布式结构的网络是将分布在不同地点的网络节点通过线路互连起来的一种网络形式，网中任一点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其他链路完成，具有较高的可靠性。同时，网络易于扩充。分布式拓扑结构优点：采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，可靠性好；各个节点间均可以直接建立数据链路，信息流程最短；便于全网范围内的资源共享。分布式拓扑结构缺点：连接线路用电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。
3.8 全链接（Full-mesh）网络拓扑结构
Full-mesh是分布式结构的一殊情况，Full-mesh是所有的节点之间都有直接连接的方式，是带弦环的一种特殊情形在full-mesh网络结构中，每个网络节点都要么有一条物理电路要么有一条虚拟电路与所有其他网络节点相连。Full-mesh提供了大量的冗余，从而可以保证网络通道的安全性和稳定性。对与有N个节点的full-mesh网络，网络中的链路数为n（n-1）/2，和相同节点的其他网络相比，full-mesh的通信链路最多。网络直径为1，这也说明了上边的分析，网络通信非常的方便，这方面性能比其他的网络有更大的优势，网络的度为N-1，节点的度恒定，这种网络对于模块化也是最好的。Full-mesh网络拓扑的优点：在该网络中所有的节点之间可以通过虚拟通道或者物理通道直接交换信息，当两个节点之间的之间链路无法进行通信的时候，可以通过其他的线路通信，网络通信的延迟以及信息的丢失率会非常的低。Full-mesh网络拓扑的缺点：两个节点之间直接连接来进行通信，最大的缺点就是当节点数量巨大的时候，网络链路将会爆炸性的增长，造成严重的资源浪费和管理上的困难。
4 总结
网络拓扑结构是网络中的设备实现网络互连所呈现出的物理布局，它能反映出网络中各实体间的结构关系。总线型拓扑结构主要用于计算机数目相对较少的局域网中，以太网是典型的总线型局域网；环型拓扑结构在局域网中使用较多，尤其是实时性要求较高的环境中；星型拓扑结构广泛应用于网络中智能集中于中央节点的场合；树型拓扑结构是一种广播式网络结构；胖树型拓扑结构的性能要比树型结构优越，信息交换速度更快；网格型拓扑结构具有较好的可靠性和稳定性；分布式拓扑结构的路径选择、流向控制比较复杂，在一般局域网中不采用这种结构；Full-mesh网络拓扑结构是一种特殊的分布式结构，网络通道的安全性和稳定性较高。
网络拓扑结构是计算机网络的重要基础信息，它是网络管理、数据模拟和信息收集的基础，同时也是网络安全评估和实施网络攻击的前提。因此对网络拓扑结构的研究具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]郭仁东.浅析计算机网络拓扑结构及其应用[J].电脑知识与技术，2012，12.
[2]吴亚军.计算机网络拓扑结构分析[J].软件导刊，2011，12.
[3]陈关荣.网络拓扑结构理论分析及其应用[M].北京：清华大学出版社，2009.
[4]狄增如.一门崭新的交叉科学：网络科学（上）[J].物理学进展，2010（3）.
[5]李丽芬，程晓荣，吴克河.计算机网络体系结构[J].中国电力，2006.
[6]徐恪.高等计算机网络：体系结构、协议机制、算法设计与路由器技术[J].北京：机械工业出版社，2009.
[7]黄铠.高等计算机体系机构[M].王鼎兴，译.北京：清华大学出版社，2001，11.
[8]李建斌，钱清泉.总线型结构网络的可靠性分析[J].铁道学报，1991.
[9]丛婷婷，祝永志.并行差分进化算法[J].计算机与现在化，2011，01.
[10]赵建超，李金锁.基于星型结构的低成本实时统计方法[M].2009，03.
[11]马秀娟，马祥福.属性网络拓扑结构CML的相继故障[M].青海师范大学学报.2010.03.
[12]时晨，黄士坦.基于胖树的片上网络容错互联结构设计[J].华中科技大学学报，2008，11.
[13]欧阳一鸣.基于对角互联网格拓扑结构的片上网络[J].计算机工程，2009，22.
[14]王达.分布式拓扑结构[M].北京：电子工业出版社，2007，7.
拓扑结构范文第2篇
关键词：高压变频器； 拓扑结构； 混合级联型； 模块化； 多电平变换电路
中图分类号：TN323 文献标识码：A
文章编号：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
高压变频器通常指供电电压在3 kV的大功率变频器，目前实际应用的主要电压等级有3 kV(3.3 kV)、6 kV(6.6 kV、6.9 kV)和10 kV 。在能源危机和环境污染日益严重的社会发展中，各国政府都开始增强节能减排的意识，重视节能应用，我国“十一五”与“十二五”规划均提出节约能源的重要性；同时能源价格的日益增长，让许多重工业领域企业更加重视高压电气装备的长远投资。理论分析结果以及实际应用的状况，均表明高压变频器在节能改造方面具有巨大的潜力，有着广阔的发展前景。
到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样有近乎统一的拓扑结构。起初，高压变频调速采用高-低-高的方式，即经过升降压变压器，实质上依然是低压变频器。然后出现了高-高直接式中压变频器。根据有无中间直流环节，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。由于交-交变频器调速范围窄，需要无功补偿和滤波装置，造价成本很高且占地面积大，所以逐渐被交-直-交中压变频器所代替。对于交-直-交变频器，根据直流环节结构的不同，可以划分为电流源型变频器和电压源型变频器，电流源型中压变频器的中间滤波环节采用的是大容量电感，而电压源型中压变频器中间滤波器采用的是大容量电容。由于电流源型中压变频器对电网电压波动和负载特性非常敏感，现场调试非常麻烦，因而使其无法像电压源型变频器一样普及应用。
本文所研究的高压变频器属于交-直-交电压型多电平变频器。本文将对国内外几种主要的高压大功率变频器主电路拓扑结构进行综述和研究，并在此基础上，从进一步提高系统效率的角度出发，对高压变频器技术的发展方向加以探讨。
1 二极管箝位型变换电路
日本学者A.Nabae于80年代初提出了中点箝位型PWM逆变电路结构，该电路又称二极管箝位多电平变换电路。图1是二极管箝位型五电平变换器的单相电路，该电路的每相桥臂有8个开关器件S1～S8串联，每4个开关器件同时处于导通或关断状态，其中(S1，S5)、(S2，S6)、(S3，S7)、(S4，S8)为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个关断。对于n电平的二极管箝位型变换拓扑，每个桥臂需要(n-1)个直流分压电容，2(n-1)个主开关器件，(n-1)(n-2)个箝位二极管。通过组合3个相同的单臂电路，并利用相同的分压电容，就可以很容易地得到三相电路。
在普通二极管箝位型多电平变换电路中，箝位二极管的阻断电压与开关器件的承受电压相同，变频器电平数越多，串联的箝位二极管器件就越多。例如在图1(a)中， VDc2 、VDc5由3个相同的二极管串联；VDc3和VDc4由两个相同的二极管串联。由于二极管特性参数不一致会导致所串联的二级管电压存在偏差，而偏差太大会造成二极管器件损坏，因而需要均压措施和RC吸收电路，但这又导致系统体积庞大，成本增加。为了解决这一问题，本文提出了一种改进型拓扑结构［1］，如图1(b)所示。这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓扑一样，通过改变箝位二极管直接的连接关系，直接和间接地将二极管的电压箝在单电平电压之内，从而使得阻断电压为每个电容上的电压，在电平数较多的情况下，该电路比普通二极管箝位电路具有较大的优越性。
随电平数的增加，箝位二极管的数量以电平数二次方的规律递增，所以当电平数较高时，就会需要大量的箝位二极管，从而使系统在布局上难以实现。目前，应用于大容量的实用化拓扑，基本上都是二极管箝位型三电平逆变器，因为该逆变器只有两个直流分压电容，它的中点电位控制相对简单。该类结构若要进一步发展，其研究的重点将是如何通过软硬件结合的方式控制中点电容电压平衡，从而实现更高电压等级的应用。目前，此类结构最有可能得到实际应用的是“背靠背”式多电平结构，该结构不仅可以控制电容中点电压平衡，提高电压等级，而且还可以实现电机的四象限运行。
2 飞跨电容箝位型变换电路
飞跨电容箝位型拓扑结构最早是由T.A.Meynard和H.Foch在1992年的PESC会议上提出的。图2所示是一个飞跨电容箝位型五电平逆变器的单相电路。由图2可见，飞跨电容箝位型五电平主电路只是用飞跨电容取代箝位二极管，其工作原理与二极管箝位电路相似。这种拓扑结构虽然省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。不过，由于电容的引进，电压合成的选择增多，开关状态的选择更加灵活，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。对于一个n电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2(n-1)个开关器件，(n-1)个直流分压电容以及(n-1)(n-2)/2个箝位电容。
这种变换电路的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较强，它既能控制有功功率，又能控制无功功率，适合高压直流输电系统等，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难，通常生产应用一般不采用该电路结构。为了用较少的飞跨电容实现较多的电平输出，文献［2］提出了一种全二进制组合的浮动电压源逆变器拓扑。在该拓扑中，通过改变飞跨电容的电压比，可使每个开关状态对应一个输出电平。
3 H桥式级联型变换电路
在独立直流电源的级联型变换电路中，最基本的是H桥串联结构，图3所示是一种H桥式级联型五电平逆变器三相电路。这种电路不需要大量箝位二极管和飞跨电容，但每个基本单元都需要用一个独立的直流电源来实现箝位功能，一般可通过多输出绕组变压器经整流后实现。
通过单相电压的计算可知，当其电路接成三相时，可以达到10 kV以上的输出，输出的电压波形更接近正弦，可不用输出滤波器，同时网侧电流谐波较小。在控制方面不存在电容电压动态控制问题，在实现上相对比较容易。
虽然使用单独的直流电源可使电路的各单元彼此隔离，解决单元级联时的动态均压和电压箱位问题，但是输出电压等级越高，串联功率单元数也越多，这样，所需的移相隔离变压器的副边绕组也很多，而移相隔离变压器体积大、接线复杂，这会使制造难度增加，成本也增加很多，系统结构将变得复杂。为此，越来越多的文献都对H桥级联型拓扑进行改进。
在1998年的IEEE APEC会议上，M.D.Manjrekar等人提出了混合七电平逆变器的拓扑结构。该结构对不同单元采用不同的直流电压，可以用较少的级联单元得到较多的输出电平。图4给出混合七电平级联型逆变器的三相电路，电路中电压高的H桥单元功率开关元件采用IGCT，电压低的H桥单元则采用IGBT，从而形成不对称级联型多电平拓扑。而且耐压值较高、开关频率较低的IGCT功率单元采用切换频率为输出电压的基波频率；耐压值较低、开关频率较高的IGBT功率单元采用PWM调制，这样既可满足功率要求，又可减小谐波。这种拓扑结构综合利用了这两种功率器件的高电压阻断能力和快速开关能力，同其他类型多电平逆变器相比，在输出相同电平数的情况下，其需要的功率器件最少。
如果将图4中具有公共端的三组H桥逆变电路用三电平NPC逆变器代替，则可构成图5所示的多电平拓扑。在该拓扑中，一个三电平单相逆变桥与一个两电平H桥逆变电路串联组成一相，前者输出为五电平，可提供主要的基波电压和大部分输出功率，称为主逆变桥。后者输出为三电平，可提供辅助的改善波形的电压和小部分输出功率，称为辅助逆变电路。从逆变器的开关模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图3所示的拓扑结构是等效的，因此，将该拓扑结构的逆变器称为5/3主从式混合多电平逆变器［3］。分析表明，这种改进的H桥级联多电平拓扑所使用的器件数量比其他类型多电平逆变器减少了1/3［4］。此外，H桥结构的进一步发展还可降低成本，提高效率(例如加入储能单元等混合拓扑结构)。
4 直接串联式变换电路
事实上，串并联在一起的各个器件，可看作单个器件使用，其控制也是完全相同的。从图6所示的直接串联IGBT中压变频器主电路可以看出，电网电压经过高压二极管整流和电容滤波后，再经过逆变器进行逆变，然后通过适当的滤波器，就可简单易行的实现高压输出。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器电路拓扑、控制策略和控制方法。但器件在串联使用时，由于各器件的动态电阻和极间电容不同，故会存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R和RC的均压措施，也会使电路复杂且损耗增加；此外，器件的串联对驱动电路的要求也会大大提高，故要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则，由于各器件开断时间不一致，承受电压不均，可能会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。
5 模块化多电平变换电路
随着电平数的增多，箝位型拓扑结构所需的半导体器件的数量急剧增加，电容电压不容易平衡，需采用复杂的电压控制策略，但这会限制这类拓扑的应用领域和范围。H桥型级联多电平变频器所需的半导体器件数量明显少于中点箝位型拓扑结构，但应用在有功功率变换的场合时，需要多个独立直流电源，这又限制了其在一些领域的应用。为了解决上述问题，本文提出了一种新的拓扑结构：模块组合多电平变频器(Modular Multilevel Converter:以下简称MMC)。
MMC按组成电路拓扑结构的不同可分为三种拓扑结构：第一种是星型模块化多电平变频器的拓扑，其结构如图7(a)，实际上该电路就是H桥级联型多电平变频器；第二种是三角型模块化多电平变频器的拓扑，其结构如图7(b)；第三种是模块化多电平变频器的拓扑，其电路结构如图8所示，该结构［5］是SIEMENS公司提出的，其中，第一种和第二种结构都可以实现能量的变换，即将模块直流侧能量传送给交流电网，但各个子模块直流侧需要独立的直流电源，而这两类拓扑结构均不存在公共的直流侧，因而不适用于需要统一直流侧的变频器应用场合。
在图8中，n+1电平模块化变频器每相由2n个子模块SM(Sub-Modular)和2个电抗器组成，SM的结构可以是单相H桥结构或单相半H桥结构。一个子模块共有3种开关状态：第一种是2个IGBT(T1、T2)均关闭；第二种是T1导通，T2关闭，这时SM输出电压为电容电压,称为投入状态；第三种是T1关闭，T2导通，这时SM输出电压为0，称为切除状态。
这样，可以通过触发来控制SM的输出电压。出于模块化设计和制造的目的,各子模块的额定值相同，输入侧与输出侧的6个桥臂电抗值也相等。MMC正常工作有2个条件：
直流电压的维持，对图8来说就是3个相单元中处于投入状态的SM数都相等且不变，并使UA=UB=UC；
三相交流电压的输出调节，就是通过对3个相单元上、下桥臂中处于投入状态的SM数进行分配而实现对变频器输出电压的调节。
MMC可以实现整流和逆变状态，并进行四象限运行，具有严格的模块化结构和良好的控制特性，适用于高压大功率领域。MMC在获得多电平输出的同时，还能有效降低开关器件的开关频率，不仅减少了谐波和高频干扰，同时也可降低开关损耗。其次，MMC允许使用标准化元件，可以在采用相同器件的前提下向不同的功率和电压等级扩展，因而无需使用变压器就可应用于高压直流输电、新能源并网、牵引供电等中高压大功率的场合。最后，MMC易于模块化组合，而且设计灵活，利于普及。
6 结 论
本文对目前几种常见的高压大功率变频器的拓扑结构特点进行了分析。目前二极管箝位型逆变器的拓扑结构已经有了很成熟的应用，但是，由于其母线中点电容电压难以控制平衡，因此，该结构仅可使用于7电平以下的电路。现在，高压变频器应用领域中广泛采用H桥级联结构，该结构容易实现高电压，且在输入侧采用了特殊制造的移相变压器，可以避免对电网的谐波污染。而与此同时，模块化多电平变频器的引入，也开阔了高压变频器的拓扑结构。从这些结构中可以看出各种多电平电路的拓扑结构都是向着高效率、高性能、高电压、高可靠性、低成本等方向发展，主要目的是使高压变频器变得更加实用。
参 考 文 献
［1］何湘宁.多电平变换器的理论和应用技术［M］.北京:机械工业出版社,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］丁凯,邹云屏,王展,等.一种适用于高压大功率的新型混合二极管箝位级联多电平变换器［J］.中国电机工程学报,2004,24(9):62-67.
［4］费万民,吕征宇,姚文熙,等.主从式级联多电平变换器及其控制方法的研究［J］.电工技术学报,2004(19):61-66.
［5］JOERG D, HARTMUT H,DIETMAR R. Novel voltage-sourced converters for HVDC and FACTS applications ［J］. Siemens AG, Power Transmission and Distribution, 2007: 314-321.
拓扑结构范文第3篇
关键词：拓扑结构 蛋白质 表面吸附
0 引言
众所周知，细胞对材料表面的响应，是通过附着在材料表面的蛋白的组成、构象和分布而实现的，所以细胞对纳米拓扑结构的响应最终由表面吸附的蛋白层传递。当植入材料与生物体接触时，蛋白质将自发地吸附到材料表面，形成蛋白质层，并受各种因素的影响，主要包括蛋白质自身的性质、材料表面性质以及所处的生物环境。在众多的影响因素中，材料表面的拓扑结构是尤其重要的影响因素之一。尽管近年来二维拓扑结构对蛋白及细胞的影响有了广泛的报道，但隐藏于现象背后的机理，细胞的感知，细胞间信号传导以及对纳米拓扑结构的长期反应仍鲜有报道并迫切需要得到解答。因此，探讨蛋白质对材料表面纳米拓扑结构的响应，将对我们理解生物分子、细胞、材料表面所构成的非常复杂的体系有极大的促进作用。
1 规则图形
目前所见的规则图形主要包括沟槽、金字塔、凹坑或凸起三类。目前对于这三类规则图形的研究已经有了一定的成果。Calli等人通过局部阳极氧化法在硅和钛表面制得了与蛋白质尺寸大小相似的纳米凹槽结构，观察结果表明，在硅表面，F-肌动蛋白在纳米凹槽区域附近的吸附量比在平整区域要低很多，有沿着纳米凹槽吸附的倾向，研究发现，纳米金字塔拓扑结构对牛γ-球蛋白的吸附及其活性有明显影响，其吸附量比在平整表面的吸附量显著增加，而且其相对活性随着表面纳米金字塔堆积的密度增加而降低。对于凹坑/凸起结构对蛋白吸附的影响尚无定论，Sutherland等人在材料表面制得了直径40nm、深度10nm的凹陷结构，并分别在纳米凹陷结构和平整表面吸附纤维蛋白原。测试结果表明，蛋白质在这两种表面上的吸附量相似。而通过血液检测则发现在纳米凹陷结构处血小板数量更多。推测这是由于表面的构象和取向更有利于纤维蛋白原与血小板膜上的受体结合，使得血小板的黏附增多。
2 球面
在纳米蛋白药物控制释放体系中，药物载体多为球形表面，这些弯曲表面的曲面曲率会对蛋白质等生物分子产生影响。Roach等人在15-165nm范围内不同亲疏水性Si微粒对蛋白变性与曲率的关系进行研究，提出了球状蛋白和棒状蛋白（纤维蛋白原）在不同曲率微粒上吸附的模型，认为球状蛋白在大曲率球面上其构象倾向于保持原状，而棒状蛋白在大曲率球面上倾向于变形，包裹球面。
3 粗糙表面
Cai和Han等人的实验结果表明，粗糙度与吸附量之间没有线性关系，粗糙度对蛋白质的吸附量没有显著影响。而Rechendorff等的研究结果表明，增大表面粗糙度可提高蛋白质的吸附量。众多结果表明，纳米级的粗糙度会影响蛋白质的吸附行为，应该重视粗糙度这一因素对材料生物相容性的影响。
4 结束语
一般而言，纳米尺度拓扑结构可有效影响蛋白粘附和细胞行为，这使得拓扑结构成为生物体系与人工材料界面间的关键影响因素。纳米拓扑结构有望成为生物医用材料调节细胞的方式。纳米拓扑结构与生物蛋白吸附之间的研究正处于起步阶段。而目前的研究表现出了纳米结构影响蛋白吸附不仅取决于尺寸分布，其形态特征也有着显著影响。另外，不同的纳米结构对于不同的蛋白有着不同的影响。而在体内环境中，微结构将面对多种蛋白同时存在并随时而变的复杂体系，研究这其中的相互关系将会是一个巨大的挑战。
参考文献：
[1]Galli C，Coen M C，Hauert R，et al.Creation of nanostructures to study the topographical dependency of protein adsorption.Colloid Surf B， 2002， 26（3）：255-267.
[2]Riedel M， Müller B， Wintermantel E.Protein adsorption and monocyte activation on germanium nanopyramids.Biomaterials， 2001， 22（16）： 2307-2316.
[3]Sutherland D S， Broberg M， Nygren H， et al.Influence of nano-scale surface topography and chemistry on the functional behaviour of an adsorbed model macromolecule.Macromol Biosci， 2001，1（6）： 270-273.
[4]Denis F A， Hanarp P， Sutherland D S， et al.Protein adsorption on model surfaces with controlled nanotopography and chemistry.Langmuir， 2002， 18（3）： 819-828.
拓扑结构范文第4篇
1无线无线网拓扑结构
无线无线网络拓扑结构由两部分构成，分别是核心网系统架构和无线接入网系统架构。其中无线接入网系统架构中基站的主要功能是完成Uu口数据的对接以及RNC信息资源的管理，基站将Uu口数据映射至无线传输信道上，传输的数据信息经过时分复用和波分复用技术原理，具体如图1所示，最终将传输的数据信息通过空中接口，还原至接收终端系统。然后基站会通过不同的时隙将数据信息发送至接收器，完成Uu口数据的对接。无线射频天线在构架结构上采用双向传输模式，射频卡经过射频信号的激发，将数字信号传输至交换设备，交换设备通过控制数字信号的编码方式，然后将接收的数字信号传输至后台终端系统，完成整个射频天线数据业务的发送与接收。TD-LTE主要从核心层、业务层以及传输层进行了布点规划，核心层提高了数据信息处理的速度，减少了基站与客户端之间数据信息传输的时间，其次增加了设备的传输功率，对传输信道数据信号的多径衰减以及收集具有一定的辅助作用。其次在业务层次结构完成数据的处理及交换，现代4G通信融合业务中，传输的数据信息量大，并且也提高了原有的传输速率，减少了客户接收数据的延时性。
2网线网络规划问题
2.1导频问题导频问题的出现会使EC/IO数据值降低，还会使通信系统的容量降低，对于距离基站较远的区域，无线系统无法接入，导致主导导频功率的下降。在优化措施上要对导频功率或者对天线方位进行调整，使其增大天线覆盖范围，保证基站发射的功率信号，使用户都能够在有限的距离范围内接收到。若EC/IO的数据线出现断续时，在解决方案上可将机械角度下调2°，使原有的2°角转变为现有的4°角或者增大2db的发射功率，保证发射功率处于稳定阶段。通过对等优化分析，使得路段EC/IO的参数值明显提高。例如：若该区域用户在导频上不能将本机的频率与基站的对应频率进行匹配，通过将基站机械角度下调后，使得用户本机的使用频率在基站导频频率范围内，增大了EC/IO的传输功率，使得用户不会出现掉话的现象。
2.2切换问题切换问题便是用户基站的选用，若一个用户距离2个基站距离不同，所处基站的发射功率不同，则会选用的基站也会不同。若用户到达另一个区域，选用的基站是另一区域的基站，则会出现基站切换问题，导致这种现象的原因之一是基站发射功率较弱，手机接收不到近端基站的发射功率，导致无法进行有效切换。在解决和优化措施上对路测采集的信息点数进行采集，然后在切换方式上采用软切换，用户手机在切换至另一个站点时，才会断开与远站点数据的连接，防止出现掉话的现象。在优化措施上便是调整基站发射功率，增大基站发射功率后，基站天线的覆盖范围增大，保证在有限区域内，用户使用者接收到的信号都是来自较近的基站，避免出现一个终端系统同时接收2个不同的信号源，导致手机终端不能正常有效的切换。
2.3覆盖问题无线无线网络优化中EC/IO和RSCP两个参数指标都比较低，此时RSCP的参照系数低于-90dBm。在分析过程中首先考虑地形因素，查看该区域是否在地铁、峡谷或者盆地内，这些区域基站射频信号不易进入，才会导致RSCP参数值偏低；其次还要考虑此区域网络规划的合理性以及设备参数的调整度，假设该区域没有在基站天线覆盖区域内，应调整天线的俯仰角度，使该区域包含在覆盖范围内；而后查看设备功率参数的设置是否合理，若不合理应按照设备具体的参数值进行对应调整，保证通信设备的正常运行；再者减少高层建筑的修建，主要是因为高层建筑跨度较大，基站发射的信号无法穿透墙体，导致对面区域无法接收到基站发射的信号；最后在覆盖问题上还应调整天线的俯仰角度，尽量将天线的覆盖范围最大，这样才能保证覆盖内的区域接收到信号源。
3无线网络覆盖优化措施
单站优化查看基站终端设备的吞吐量、基站的切换频点以及基站的覆盖角度等。优化项目与评判标准具有一致性，优化单站数据库、DT/CQT测试数据、功能数据测试更新以及硬件故障处理信息记录。在对无线环境优化分析中，优化的数据指标都在通用的标准范围内，RSCP优化数据指标在80%-90%，MOS优化数据指标在3-7，DT话音BLER优化数据指标在94%-98%，以及Tx_Power优化数据指标在91%-95%。而换用较大增益的天线增大覆盖区域，主要指减少相邻基站信号的重叠，防止出现信号衰减区。
拓扑结构范文第5篇
关键词：ANSYS软件；空间桁架结构；拓扑优化；设计方案
就目前的建筑技术而言，空间桁架结构的优化设计一般都是采用拓扑优化或者采用尺寸优化。本文中主要论述了采用拓扑优化的设计方法，。所谓拓扑优化，也可以称之为轮廓优化，再往广义范围里讲，也可以称之为形状优化。拓扑优化大概可以分为离散体与连续体两种形式，但在实际的使用中，一般都是采用离散体的拓扑优化方法。这种优化方法表现在现代建筑的空间桁架结构中，主要是通过相关测量和调查，以掌握每个杆件之间的距离大小，然后再使用通过拓扑优化的方法来确认是否有杆件的存在。而对于连续体的方法来讲，现有的技术水平已经能够通过一定的软件技术来分析边界等基础信息，以得出最优的设计方案，这种技术的发展对于空间桁架结构的初期设计有着重大的意义。以下本文就以连续体的拓扑优化方式，通过采用ANSYS软件来对空间桁架结构的设计进行优化处理。
1、分析空间桁架结构拓扑优化设计的意义
空间桁架结构作为大跨度建筑结构设计中较常采用的结构形式，其具有材质轻、施工简便以及通透性好等特点，在体育馆、海洋馆等有着大跨度要求的建筑结构中有着广泛的应用，因此提高其结构设计水平、优化结构设计方法对于保证空间桁架结构的施工质量，提高桁架结构的稳定性与安全性来讲都有着很重要的意义。而在对空间桁架结构设计进行优化时，常常采用ANSYS软件来对结构进行有限元分析和计算，通过ANSYS软件的强大计算功能来实现设计最优化的目的。所谓实现设计最优化，就是指在确保结构的安全的前提下，尽可能的减少材料的使用量，降低工程成本。以达到最经济合理的设计方案。这对于实现节能建筑理念和可持续发展理念在空间桁架结构中的有效运用是有着关键作用的。因此，对空间桁架结构的设计进行拓扑优化处理是非常有必要的。
2、建立空间桁架结构拓扑优化设计模型
ANSYS拓扑优化功能可以用于求得最优结构，以获得最大刚度、最小体积或最大自振频率。拓扑优化的原理是在满足结构体积减小量的条件下使结构的柔度极小化，极小化的结构柔度实际就是要求结构的刚度最大化，优化过程是通过自动改变设计变量，即单元伪密度来实现的。单元伪密度为O的材料为可以删除的部分，单元伪密度为1的材料为保留的部分。
ANSYS拓扑优化功能，模型中只能有下列单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维块单元SOuD92和SOLID95；壳单元SHELL93。
而在本文研究中的空间桁架结构总体尺寸较大，为5.8 m×5.8 m×25 m，且作用力都集中在结构的外表面。若采用三维实体单元，尽管建模简单，但计算量大且对机器配置要求高，故采用壳单元SHELL93。
ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格部分不进行拓扑优化。所以，在划分模型网格时，必须确保拓扑优化的区域的单元类型编号为l。
优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用板结构焊接形式，本文将确定其为非优化区域，板厚为20 mm，优化区域是由3个面组成的空间三维连续体结构，板厚为30 mm。结构顶部前端垂直载荷40 t，结构仰角：8l度。
3、空间桁架结构的拓扑优化及其优化结果
在建立了相应的优化模型之后，我们对臂架底部铰接的空间桁架结构设计方案，通过线性结构静力分析的手段对其开展了拓扑优化。现将拓扑优化的具体过程以及结果分析分别描述如下，以供参考。
3.1空间桁架结构的拓扑优化过程
ANSYS程序提供了1个专门用于预定义总体积的拓扑函数，即VOLUME，它既可作为目标函数，也可以用于约束条件。本文定义目标函数为MCOMP，VOLUME减少60%为约束条件，定义目标函数和约束条件的命令流如下：
…
TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4！
定义多柔度作为拓扑优化函数MCOMP
TOVAR，MCOMP，OBJ ！
定义柔度函数MCOMP作为拓扑优化目标
TOVAR，VOLUME，CON，60 ！
总体积VOLUME减少60%
TODEF，O，O.00l ！
收敛容差为0.0001
TOPITER，20，l ！
最多执行20次迭代
…
ANSYS程序提供2种拓扑优化方法：一是优化准则法；二是连续凸函数寻优法。前者只适用于以体积作为约束条件的问题；后者可以用于所有的目标函数和约束条件的组合问题。由于本文是把体积作为约束条件，故选择优化准则法。
3.2空间桁架结构的拓扑优化结果
在采用ANSYS软件来对空间桁架结构进行拓扑优化的过程中，我们在对其进行多次计算后比较分析，发现了在拓扑优化的过程中可以得出下述几点结论：
首先，可以从多次反复计算中看出，空间结构桁架的板厚大小并不构成对拓扑优化实施的影响，因此可以不必考虑板厚这一因素对结构设计的影响。
其次，我们在利用ANSYS对结构进行拓扑优化时，并未全面考虑到结构中所使用杆件的长度、细度等问题，因此在其他的结构设计优化中，若要顾及美观、或者顾及杆件的长细比、或者顾及到杆件的制造工艺需求等多方面因素时，可以相对调整优化结果，使杆件的布置有所变动来满足设计需求。
第三，ANSYS进行多工况加权求和时，加权系数可以用自己预先定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数，本文取4种工况加权系数均为0.25并且加大侧载，优化出能承受侧向弯矩的腹杆结构。
第四，在得到的拓扑优化结果基础上，利用APDL命令提取和输出节点的坐标，得出各节杆的节距，可以实现在满足一定强度条件下杆的截面尺寸优化。
