1、壓電材料由于具有機(jī)械形變與電場(chǎng)的耦合效應(yīng)（簡(jiǎn)稱機(jī)-電耦合），在智能結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用前景，被用來(lái)制作各種傳感、驅(qū)動(dòng)及能量采集功能元器件。由于振動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)生活環(huán)境中隨處可見(jiàn)，故轉(zhuǎn)換這些振動(dòng)能為電能并采集加以利用、并為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等微功耗電子元器件供電，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)自治型無(wú)線節(jié)點(diǎn)很重要的一步。
　　本論文建立了壓電復(fù)合懸臂梁簡(jiǎn)諧激勵(lì)下發(fā)電特性的解析表達(dá)式，并給出了其等效模型的分析方法，并首次給出了考慮壓電材料次級(jí)壓電效應(yīng)的壓電

2、復(fù)合梁精確的解析解，包括輸出電荷、電壓及電阻抗等，為此類壓電發(fā)電器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)提供了必要和有效的指導(dǎo)。提出了一種全新的多頻響應(yīng)壓電振動(dòng)發(fā)電器原型，它是基于折疊結(jié)構(gòu)壓電振子前兩階模態(tài)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換獲取電能，通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真技術(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提出了制作方法，實(shí)驗(yàn)中樣機(jī)首次成功實(shí)現(xiàn)了寬頻化振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換。本文的主要工作及結(jié)論包括:
　　一、采用與Jan G.Smits等研究者所用類似的方法推導(dǎo)得到了壓電/基體/壓電三層復(fù)合懸

3、臂梁在各種輸入（包括梁端部集中力、梁端部力矩、電壓）激勵(lì)下的輸出量（如梁的端部撓度，梁端部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，以及壓電梁電極上產(chǎn)生的電荷）的動(dòng)態(tài)輸出解析表達(dá)式。給出了考慮次級(jí)壓電效應(yīng)的壓電復(fù)合梁壓電層本構(gòu)關(guān)系，利用其推導(dǎo)得到壓電復(fù)合梁的抗彎剛度，它是對(duì)由材料力學(xué)中的轉(zhuǎn)換截面法推導(dǎo)得到的抗彎剛度表達(dá)式進(jìn)行必要修正;再接著針對(duì)具有大機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)的新型壓電材料，我們進(jìn)行了由其構(gòu)成的壓電復(fù)合梁機(jī)電轉(zhuǎn)換特性分析并給出了相應(yīng)的電導(dǎo)納表達(dá)式和諧振頻

4、率表達(dá)式，結(jié)果表明分析的準(zhǔn)確程度得到提高，壓電材料的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)越大，附加的應(yīng)變或者附加的電位移對(duì)主壓電效應(yīng)的改變程度就越大則次級(jí)壓電效應(yīng)表現(xiàn)就越強(qiáng)。
　　二、推導(dǎo)了壓電復(fù)合懸臂梁動(dòng)態(tài)特性解析式，并將其歸納為矩陣形式，其可用于分析懸臂壓電復(fù)合梁結(jié)構(gòu)電學(xué)并聯(lián)、串聯(lián)的情況下的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性，包括壓電復(fù)合懸臂梁在集中力、力矩、驅(qū)動(dòng)電壓等激勵(lì)下的輸出，包括梁的端部撓度，梁端部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，以及復(fù)合梁電極上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電荷的解析解。建立

5、了基于ANSYS的懸臂壓電復(fù)合梁有限元仿真方法及模型，仿真分析的數(shù)值解及這些解析解的分析結(jié)果具有良好的一致性，這些解析解便于揭示該結(jié)構(gòu)機(jī)電轉(zhuǎn)換特性的物理本質(zhì)，也可以作為該結(jié)構(gòu)壓電梁數(shù)值解的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。
　　三、提出了一種全新的基于折疊結(jié)構(gòu)的多頻響應(yīng)的壓電振動(dòng)發(fā)電器，該壓電發(fā)電器可以在前兩階模態(tài)振動(dòng)下的較寬的頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換振動(dòng)能為電能。本文給出了兩種多頻響應(yīng)的壓電振動(dòng)發(fā)電器的設(shè)計(jì)步驟與方法，一是基于多懸臂壓電梁陣列，另外一種基于折疊結(jié)

6、構(gòu)的壓電振動(dòng)發(fā)電器原型設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)方案可用于解決典型的單懸臂梁壓電振子頻率響應(yīng)范圍窄，當(dāng)振源頻率偏離振子諧振頻率，壓電發(fā)電器無(wú)法有效完成能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。我們就提出的發(fā)電器原型建立了有限元計(jì)算模型，并詳細(xì)分析了這種全新的壓電振動(dòng)發(fā)電器的特點(diǎn)，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)，給出了其前兩階振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)及壓電材料層部分的應(yīng)力分布特點(diǎn)。提出了折疊結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電振子的加工方法和制備工藝，制備了這種壓電振動(dòng)發(fā)電器原型樣機(jī)，設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，測(cè)量了

7、發(fā)電特性及電功率輸出，實(shí)驗(yàn)表明，該壓電振子在峰值加速度為0.7g情況下基礎(chǔ)振動(dòng)掃頻激勵(lì)時(shí)，在120.9Hz附近達(dá)到功率輸出的極值，極值為6.64mW;在97Hz附近達(dá)到功率輸出的極值，極值為0.43mW;輸出功率超過(guò)20μW的頻率帶為88-177Hz，歸一化頻率帶寬(NFB)為74％。研究表明，提出的原型有望開(kāi)發(fā)出將多頻振動(dòng)輸入的機(jī)械振動(dòng)能高效地轉(zhuǎn)換為電能的壓電發(fā)電器。
　　本論文在壓電振動(dòng)發(fā)電的分析理論及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得的成果