近些年,无线传感网络技术在道路桥梁基础设施、环境监测、大型工业设备、航空航天等领域的应用越来越广泛。同时,各类传感器、无线传输等微电子器件逐渐向低功耗方向发展,寻找新的能量供给方式以突破传统电池带来的网络寿命瓶颈是决定未来无线传感技术发展的关键因素之一。压电振动能量收集技术利用压电材料的正压电效应将环境中废弃的机械能转化为电能。因其结构简单、能量转换效率较高、绿色环保和可持续等诸多优点而备受研究人员的关注。在实现无线传感网络节点的自供电、延长可充电电池的使用寿命方面具有巨大的应用潜力。本文进行了压电复合材料振动能量收集器的结构设计及动力学响应特性分析。通过建立系统的力-电耦合模型,分析结构参数、材料参数、边界条件及外激励条件与系统动力学响应和能量输出特性的关系。研究了线性压电振动能量收集器的响应特性以及非线性压电振动能量收集器的频带拓宽规律,为压电振动能量收集器的设计和优化提供理论指导和技术支持。主要工作如下:首先,提出了应用变刚度复合材料调节线性压电振动能量收集器动力学响应特性的设计方法和理论分析模型。将传统压电振动能量收集结构中的弹性层替换为可变刚度的复合材料,利用形状记忆合金(SMA)-环氧树脂复合材料在温度控制下的变刚度特性调节线性振动能量收集器的共振频率。建立了SMA-环氧树脂复合材料的变刚度分析模型,将变刚度特性引入线性振动能量收集器的振动控制方程中。通过数值计算对不同温度下的SMA-环氧树脂复合材料压电振动能量收集器的电压输出特性进行了预测。最后在热环境下完成了压电振动能量收集器的振动测试实验,包括在不同温度下的功率谱密度函数测试和电压输出特性分析。数值计算和实验验证的结果显示,可以通过温度控制变刚度压电振动能量收集器的共振频率。其次,进行了厚度方向嵌入多层压电层的结构设计,建立了多层压电振动能量收集器的力电转换分析模型。通过复合材料铺层设计嵌入更多层的压电材料以提高单个能量收集器的发电效率。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了多层压电振动能量收集器的力电转换模型。预测了其在一端固定、一端自由情况下的固有频率和能量输出特性。对多层压电振动能量收集结构和传统的Bimorph结构在不同铺层方式下的电压输出密度和固有频率进行了参数化分析。通过质量归一化方法对不同铺层方式下结构的弯曲刚度变化进行了分析。采用一体化成型技术制备了多层压电振动能量收集器样件,利用振动实验获得了结构的动力学响应和能量收集特性。同时通过实验与传统的压电振动能量收集结构的电压响应特性进行了对比。模拟结果、实验数据和参数化分析结果表明,与传统双压电层振动能量收集器相比,多层压电振动能量收集结构可以获得更高的能量。实验结果显示,在相同电阻负载时,多层压电能量收集器的输出电压约是传统线性能量收集器的2倍。然后,考虑了复合材料对称角铺层时,不同铺设角度对压电振动能量收集结构输出性能的影响。基于复合材料经典层合板理论,建立了对称铺层复合材料层合板的力学分析模型。通过数值方法获得了在不同铺层下复合材料层合板的力学参数变化规律。基于数值计算的结果,选取六组不同的铺层方式(厚度方向泊松比不同)进行了复合材料压电振动能量收集结构的设计。通过复合材料能量收集结构的三点弯模拟和实验获得了不同铺层方式下结构的静力学特性。进行了振动条件下的复合材料压电振动能量收集结构的动力学特性和能量输出特性的实验测试,分析了复合材料对称铺层时不同铺层角度对能量输出性能的影响。数值计算与实验测试结果显示,零泊松比铺层的压电复合材料悬臂梁具有较低的共振频率以及较高的电压输出,其电压输出FRF最大值可以达到正泊松比铺层的1.625倍。最后,针对线性振动能量收集器工作频带较窄的特点,设计了一种新型的非线性压电振动能量收集器--磁力诱导非线性组合压电悬臂梁--以拓宽其工作带宽,并建立了该结构的动力学理论模型。预测了不同磁铁间距下的非线性振动模式,在频域内研究了不同激励下非线性组合的响应特性。基于Hamilton变分原理建立了非线性压电振动能量收集器的动力学分析模型,给出了系统的电压输出理论解。利用数值计算方法讨论了非线性组合压电悬臂梁的动力学响应特性,以及输出电压磁铁间距的变化特性。最后通过不同激励幅值下的扫频振动实验(包括正向扫频和反向扫频),对磁力诱导非线性组合压电悬臂梁的力电转换特性进行了实验验证,并获得了磁铁间距对系统输出特性的影响。通过实验数据与数值计算结果的对比,分析了磁力诱导非线性组合压电悬臂梁的输出特性,实现了系统工作带宽的提高。该系统在频域的输出电压表现出良好的力电转换性能,且系统的工作频带得到了显著的提高。