通过磁致伸缩材料以及压电材料组合制备而成的层状磁电复合材料,由于其在室温下的磁电转换能力强、制备简单、灵敏度高以及响应快等优点,受到了多个学科和领域的研究学者们的广泛关注。层状磁电复合材料是拥有广泛应用价值的新型先进功能材料,其在磁场/电流传感器、能量收集器、磁电微波器件、磁电存储以及新型天线等方面有着普遍的应用。近年来,国内外许多研究学者对磁电复合材料在实验、理论以及仿真方面进行了深入系统的研究。然而,之前大部分理论分析模型以及有限元模型不能很好的描述磁电复合材料在不同偏磁场、不同温度、不同预应力等复杂环境下的非线性磁电耦合效应。因此,提出一个能够准确描述磁电复合材料磁电效应并且充分考虑材料非线性特性的多物理场耦合有限元模型变得非常必要。另外,基于磁电材料的能量收集器在设计以及应用方面仍然有很多地方需要进一步深入研究,比如:如何提高能量收集器的能量收集性能,实现宽频多频以及对多场能量的收集。基于以上的研究背景,本文将进行以下的研究:首先,本文采用磁致伸缩材料的非线性本构方程和压电材料的线性本构方程,针对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D和Ni/PZT/Ni两种层状磁电结构建立了非线性磁-力-热-电多场耦合有限元模型。分别计算了考虑耦合应力情形以及不考虑耦合应力情形下两种层状磁电结构的磁电系数。计算结果表明,在不同温度下两种层状磁电结构在低、中、高磁场下的磁电系数预测值都能与实验数据很好的吻合,考虑耦合应力情形下的磁电系数小于不考虑耦合应力情形下的磁电系数。耦合应力对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状磁电结构的磁电系数影响很大,但对Ni/PZT/Ni层状磁电结构的磁电系数影响不大。此外,还详细研究了在不同温度和预应力条件下,层状磁电结构的磁通密度、位移和电压分布特性。研究表明,磁电系数对温度和预应力的敏感性可以分别通过对预应力和温度来调节,具体是提高温度可以降低磁电系数对预应力的敏感性,从而可以提高磁电器件在复杂环境下工作的稳定性。然后,为了提高能量收集器的能量收集效率,实现同时收集多场/多频的能量,本文设计了一种采用磁-力-电转换的机械/磁双能收集器。一般来说,机械振动和磁场在日常生活中是广泛同时存在的,比如:工业制造中普遍使用的大型电动机,由于转子转动产生的机械振动以及电机线圈产生的杂散磁场同时存在。然而,通常机械振动的频率和磁场的频率是不一样的。如何同时收集这些不同频率不同场的能量是一个非常重要的研究内容。研究结果表明单独收集机械能时一阶共振电压要比二阶共振电压大,单独收集磁能时二阶共振电压要比一阶共振电压大。所以通过利用悬臂梁结构的一阶和二阶共振模态分别收集机械能和磁能,实现了不同频率的机械/磁双能收集,还实现了能量收集效率的最大化。当机械能和磁能同时收集时电压有线性叠加效应,而两种激励同时作用下功率要大于两种激励单独作用时的叠加。以上研究结果可以为多场/多频能量收集器的设计以及应用提供一定的帮助。最后,本文针对悬臂梁磁-力-电能量收集器对其进行了系统的实验研究。重点研究交流磁场方向以及永磁体位置和个数对磁场能量收集器能量收集性能的影响,接着分析了影响磁场能量收集器能量收集性能的其它因素如:结构尺寸、基底材料等。此外,对悬臂梁能量收集器在其它方面的应用如:风扇转动能量的收集也展开了部分实验研究。实验研究结果表明可以通过对悬臂梁能量收集器进行一系列优化设计进而提高能量收集效率。总之,本论文通过对层状磁电复合结构进行数值分析,对层状磁电复合材料的非线性多场耦合磁电效应进行了完善和进一步的发展。同时构建机械能/磁能双能收集器的有限元分析模型,以及对悬臂梁能量收集器进行了实验研究。研究结果有望为基于磁电复合材料的功能器件在研发、设计、应用等方面给予一定的指导作用。