随着无线传感器网络的不断发展,传统电池由于污染严重且需定期更换,使得能量供能问题逐渐成为一个难题。风能作为一种自然界储量巨大的可再生能源,采用压电风能收集系统是解决无线传感网络节点供电问题的一种有效方法。受自然界叶片结构的启发,本文基于仿生结构思想运用拓扑方法分别以基体加强材料和压电材料作为“叶脉”对压电元件进行结构优化,以压电系统的输出开路电压、输出功率、功率密度等参数为目标对优化结果进行输出效率的分析。本文主要研究工作内容如下:首先,设计了压电风能收集装置的基本结构,根据工作环境进行了流场的力学建模。系统工作原理通过圆柱绕流涡激振动方式实现。其次,基于SIMP插值材料模型在一定约束条件下针对应变能最大化为目标建立了相关的拓扑优化模型。分别以四种基本形状(三角形、短梯形、长梯形、矩形)压电元件为原型,以基体加强材料单元和压电材料单元为设计变量进行了拓扑优化,并分别对优化前后的模型进行了以输出开路电压为参考指标的能量收集能力分析。最后,通过风洞试验对数值结果的有效性进行了验证。试验结果表明,当以基体加强材料为“叶脉”时,长梯形压电元件优化模型的输出开路电压均方根值最高;当以压电材料为“叶脉”时,短梯形压电元件优化模型的输出开路电压均方根值最高。由此可以得到两种能量收集效果较好的压电元件布局结构模型。在4-12m/s的入流风速下,对四种基本压电元件拓扑优化模型连接1.6MΩ负载电阻进行输出功率和功率密度的对比分析。结果表明,以基体加强材料为“叶脉”的长梯形压电元件拓扑优化结构输出功率和功率密度最高,输出功率达到6.152μW,功率密度达到22.785μW/cm~3,负载电阻两端电压达到3.186V。最后对其进行充放电试验,100μF电容两端电压能够达到1.614V,证明优化后压电元件所收集能量能够被储存及利用。