随着无线传感器、便携式电子器件等基于微机电系统的低功耗电子元器件的广泛应用,基于电池的传统供电方式存在着明显的弊端,压电振动俘能器基于压电材料的正压电效应将环境中的振动能转换为电能。目前,国内外学者正在研究能够为低功耗电子元器件提供无源供电技术的振动俘能技术。环境中的振动能包括机械能、风动能和水动能等形式,其中水动能作为一种较有优势的动力源,主要以低流速状态分布在平原河流和海洋洋流中,具有能量密度大、分布广泛而且绿色可持续利用等优点。研究低流速水域中的流致振动压电俘能技术具有重要的研究意义,它可为流体中的相关智能检测与监测设备提供无源供电技术,而如何提高压电俘能器在低流速水域中的能量转换效率和环境适应性,是流致振动压电俘能器研究的关键所在。根据流致振动原理和压电俘能器的研究基础,本文提出一种适合于低流速水域的变刚度压电悬臂梁振动俘能器。该俘能器基于绕流体涡激振动原理和压电效应采集电能,主要由一个变宽度压电悬臂梁和绕流体组成,同时引入磁力对绕流体进行激励,以提升结构的涡激振动响应。论文主要利用有限元仿真和实验相结合的方法分析变宽度压电悬臂梁振动俘能器的振动俘能特性,通过实验研究磁力对压电俘能器的振动和俘能特性的影响规律,最终确定最优的附磁发电结构接入电阻,测试其发电性能。论文的研究内容主要包括以下三个部分。(1)压电俘能器流-固-电耦合特性仿真分析:结构受到流场激力作用产生振动,结构的振动又会影响流场的流速分布、压力分布等。该部分内容主要利用有限元仿真分析流场和结构的流致振动响应,包括流场参数分布情况和俘能器在不同流速中的法向位移、变形、应变、输出电压以及电场强度的变化规律。(2)压电俘能器结构参数优化分析:对压电悬臂梁和圆柱绕流体的结构参数进行实验优化分析,搭建流致振动压电俘能器的水下实验平台,设计加工压电俘能器的样机模型,通过实验分析基层和压电层长度以及圆柱绕流体质量、直径、长度对俘能器振动和俘能特性的影响。得出在一定流速条件下发电效果最优的结构参数,并加以整合,组成最优发电效果的俘能器结构,并在后续的研究中采用此结构参数。对变宽度压电悬臂梁的形状进行优化研究,利用有限元仿真和实验研究相结合的方法分析不同的宽度比对变宽度压电悬臂梁振动俘能器的振动和俘能特性的影响规律,得出发电效果最优的变宽度压电悬臂梁结构。(3)附磁型压电俘能器实验研究:设计加工附磁型压电俘能器的样机模型,分别分析横向附磁和纵向附磁的磁场参数对等宽度压电悬臂梁振动俘能器振动俘能特性的影响规律,磁场参数包括磁极和磁间距。并选择合适的磁间距,分析横纵双向附磁的磁极极性对等宽度压电悬臂梁振动俘能器振动俘能特性的影响,分析横斥纵吸附磁变宽度压电悬臂梁振动俘能器的最优发电特性,选择最优附磁发电结构接入电阻,测试其发电性能,并与其他俘能器结构作对比,突出其发电效果的优越性。