压电材料由于具有机械形变与电场的耦合效应(简称机-电耦合),在智能结构中有着广泛应用前景,被用来制作各种传感、驱动及能量采集功能元器件。由于振动在工业生产生活环境中随处可见,故转换这些振动能为电能并采集加以利用、并为无线传感器网络节点等微功耗电子元器件供电,被认为是实现自治型无线节点很重要的一步。本论文建立了压电复合悬臂梁简谐激励下发电特性的解析表达式,并给出了其等效模型的分析方法,并首次给出了考虑压电材料次级压电效应的压电复合梁精确的解析解,包括输出电荷、电压及电阻抗等,为此类压电发电器的准确设计提供了必要和有效的指导。提出了一种全新的多频响应压电振动发电器原型,它是基于折叠结构压电振子前两阶模态振动实现振动能量转换获取电能,通过计算机有限元仿真技术进行了结构参数优化,提出了制作方法,实验中样机首次成功实现了宽频化振动能量转换。本文的主要工作及结论包括:一、采用与Jan G.Smits等研究者所用类似的方法推导得到了压电/基体/压电三层复合悬臂梁在各种输入(包括梁端部集中力、梁端部力矩、电压)激励下的输出量(如梁的端部挠度,梁端部产生的转角,以及压电梁电极上产生的电荷)的动态输出解析表达式。给出了考虑次级压电效应的压电复合梁压电层本构关系,利用其推导得到压电复合梁的抗弯刚度,它是对由材料力学中的转换截面法推导得到的抗弯刚度表达式进行必要修正;再接着针对具有大机电耦合系数和压电常数的新型压电材料,我们进行了由其构成的压电复合梁机电转换特性分析并给出了相应的电导纳表达式和谐振频率表达式,结果表明分析的准确程度得到提高,压电材料的压电常数和机电耦合系数越大,附加的应变或者附加的电位移对主压电效应的改变程度就越大则次级压电效应表现就越强。二、推导了压电复合悬臂梁动态特性解析式,并将其归纳为矩阵形式,其可用于分析悬臂压电复合梁结构电学并联、串联的情况下的机电转换特性,包括压电复合悬臂梁在集中力、力矩、驱动电压等激励下的输出,包括梁的端部挠度,梁端部产生的转角,以及复合梁电极上产生的动态电荷的解析解。建立了基于ANSYS的悬臂压电复合梁有限元仿真方法及模型,仿真分析的数值解及这些解析解的分析结果具有良好的一致性,这些解析解便于揭示该结构机电转换特性的物理本质,也可以作为该结构压电梁数值解的验证标准。三、提出了一种全新的基于折叠结构的多频响应的压电振动发电器,该压电发电器可以在前两阶模态振动下的较宽的频率范围内转换振动能为电能。本文给出了两种多频响应的压电振动发电器的设计步骤与方法,一是基于多悬臂压电梁阵列,另外一种基于折叠结构的压电振动发电器原型设计。这些设计方案可用于解决典型的单悬臂梁压电振子频率响应范围窄,当振源频率偏离振子谐振频率,压电发电器无法有效完成能量转换的问题。我们就提出的发电器原型建立了有限元计算模型,并详细分析了这种全新的压电振动发电器的特点,优化了其结构尺寸的设计参数,给出了其前两阶振动模态的特点及压电材料层部分的应力分布特点。提出了折叠结构的压电发电振子的加工方法和制备工艺,制备了这种压电振动发电器原型样机,设计了测试系统平台,测量了发电特性及电功率输出,实验表明,该压电振子在峰值加速度为0.7g情况下基础振动扫频激励时,在120.9Hz附近达到功率输出的极值,极值为6.64mW;在97Hz附近达到功率输出的极值,极值为0.43mW;输出功率超过20μW的频率带为88-177Hz,归一化频率带宽(NFB)为74%。研究表明,提出的原型有望开发出将多频振动输入的机械振动能高效地转换为电能的压电发电器。本论文在压电振动发电的分析理论及其结构设计方面取得的成果,可为各种压电振动发电器件的设计提供指导,具有重要的理论和实践价值。