压电材料利用压电效应可以将机械能转化为电能,利用这种材料制作而成的压电俘能器具有结构简单,转换率高的特点并受到了学者们的普遍关注。然而使用传统的末端附加质量块悬臂结构的俘能器工作频带窄,输出电压低,因此学者们开始研究新型的结构形式,使俘能器在结构紧凑的基础上拥有更多的工作频率带及更高的输出电压,从而提高压电俘能器的俘能效率。随着微型电子元器件的广泛使用,由于压电俘能器可以实现自供电,因此微型化是目前压电俘能器的一个研究趋势。然而使用经典连续介质力学理论无法准确的描述微观尺寸下结构的力学行为,所以如何对微型的压电俘能器进行模拟也是一个急需解决的问题。本文主要设计了一种新型的附带质量框结构,利用ABAQUS有限元分析软件,计算了该结构的振动特性及俘能效率,并设计该结构的俘能器样机进行实验验证和参数研究。引入应变梯度理论,利用ABAQUS UEL自定义一种微-压电单元,编写了能够用于微型结构的模态和动态分析有限元程序,用于分析压电俘能器微观尺寸下的固有频率和输出电压。研究内容主要有以下几个方面。(1)提出一类附加质量框双悬臂板压电俘能器结构。按照两板分布的方式和基板的形状,提出了三种结构形式。利用ABAQUS有限元软件,对比了三种结构与传统单悬臂板附加质量块结构和其它文献结构的固有频率及输出电压,确定了最优结构形式由两个反对称放置的变截面梯形悬臂板,和一个环绕的质量框构成。并研究了压电层的铺设面积,梯形板上下底长度比值和框的几何尺寸对结构俘能效果的影响。(2)基于有限元分析确定的最优结构制作了俘能器样机并进行实验。使用自行设计的夹具与激振台连接,利用信号发生器给予激振台激励以模拟外界的振动。一共设计了8组对比试验,研究了梯形基板的厚度及质量框的质量、尺寸对结构固有频率及输出电压的影响。绘制了输出电压与外激振频率的关系曲线,对比了有限元法分析与实验结果,验证了新结构形式的合理性。(3)通过ABAQUS用户自定义单元子程序(UEL)与应变梯度理论的结合,设计开发了应用于微型结构模拟的压电单元。基于应变梯度理论引入了尺度参数,设计了新的本构关系,解决了微结构的尺度效应问题。同时设计编写了新单元用于模态、静态和动态时的计算程序,并与ABAQUS自带单元进行了对比,验证了本文提出微型单元的必要性和准确性。(4)把本文提出的附加质量框反对称梯形悬臂板(AFT)压电俘能器微型化,利用开发的微型压电单元对其进行了振动特性及俘能特性的研究。利用本文编制的微型结构模态分析和动态分析有限元程序,研究了微观尺度下AFT压电俘能器的固有频率、振型和输出电压。通过研究框的几何尺寸对俘能效果的影响,确定了合适的结构参数。