热电器件可以实现热能和电能直接相互转化,既可利用热能产生电能,又可利用电流实现温控和热泵的作用。热电器件由于体积小,可靠性高及绿色无污染等优势而被广泛的应用于太空探索、医疗、军事及日常生活等诸多领域。根据热电器件的实际应用背景,最大限度的发挥热电材料性能,提高热电转换效率,满足应用对器件结构和服役特性的核心需求,是热电技术领域的关键问题。且热电器件总是工作在温差环境中,已有的实验表明大温差环境会导致器件由于各组件之间的热失配而损坏。除此之外,柔性热电器件会由于弯曲等机械荷载而产生损坏的现象。因此,在关注热电器件热电性能的同时,保证其满足力学强度要求成为热电领域的核心问题。鉴于此,本文针对不同应用背景下几类热电器件的热-电-力学性能进行了系统地数值研究,探讨了结构参数及运行环境对其热电性能和力学性能的影响规律。得到了具有较高热电性能的热电器件结构尺寸,并同时使其满足了力学强度要求。给出了以下研究成果:首先,针对废热回收应用中的环形热电发电器件,分别建立了碲化铋基及分段环形热电器件的三维数值模型,研究了器件的热电性能及力学可靠性。对于碲化铋基环形热电器件,探讨了结构参数及热电偶数量对器件的热电性能和应力状态的影响,表明改变热电支腿角度比,不仅可以显著改善环形热电器件的热电性能,而且可降低其热电支腿内的应力。进一步,本文还给出了同时具有较高热电及力学性能的环形热电器件的最佳几何结构。对于分段环形热电器件,讨论了结构参数对分段环形热电器件性能的影响。研究发现,随着热段材料占比的增加,分段环形热电器件的输出功率及应力水平均出现了最优值,得到了分段环形热电器件的最优结构参数。与碲化铋基环形热电器件相比,优化后的分段环形热电器件输出功率提高30.9%,碲化铋材料中的应力水平降低了40%,保证其满足了力学强度要求。在此基础上,进一步拓展研究了分段环形热电器件在正弦热源中运行的热电及力学性能。其次,基于非线性热电耦合本构、材料大变形以及Mooney-Rivlin三参数的超弹性本构,建立了PDMS材料封装的柔性热电器件三维有限元模型。研究了在弯曲载荷作用下,柔性热电器件的热电及力学性能。讨论了热电支腿形状、填充系数和支腿高度对柔性热电器件的热电和力学性能的影响规律,得到了柔性热电器件的优化尺寸。并发现增加热电偶的数量可以同时提高柔性热电器件的热电性能和弯曲荷载下的力学可靠性。优化后柔性器件的输出功率是优化前的3.8倍,并指出其弯曲半径不小于24.93mm时,才可满足力学强度要求。再次,为了优化热电制冷器件的冷却及力学性能,建立了热电制冷器件的三维数值模型,探讨了结构参数对其冷却性能和力学可靠性的影响。并实验测试了商业热电制冷器件在稳态下的热电性能,实验结果与数值结果吻合良好。研究结果表明,冷负荷不会影响热电制冷器件最佳输入电流。在最优电流条件下,改变热电支腿高度和宽度,可使热电制冷器件冷端温度出现最小值。由此本文给出了具有较好冷却性能的热电制冷器件的最佳结构参数,同时使其满足了力学强度要求。由此进一步拓展研究了脉冲电流的周期、幅值和形式对热电制冷器件热电及力学性能的影响规律等。最后,即使热电器件满足力学强度要求,其仍会由于循环热载的作用产生损坏。鉴于此,本文建立了热电支腿中含有裂纹的环形热电发电器件的二维数值模型,基于相互作用积分法和扩展有限元法,研究了工作温差对热电支腿中含中心裂纹的环形热电器件的断裂参数及疲劳寿命的影响。结果表明,工作温差的增大将增大裂纹尖端的应力强度因子,减小环形热电器件的服役寿命。总之,本文系统地研究了不同应用背景下几类热电器件的热电性能、力学强度及可靠性,给出了其满足应用核心需求的优化特征尺寸,对含有裂纹环形热电器件的疲劳寿命进行了预测,给出了影响其疲劳寿命的重要因素及影响规律。相关研究为热电器件的优化设计及实际应用提供了理论建议和参考。