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“智能结构”的实现需要四个关键要素：传感器、驱动器、控制策略以及可调控的电源供应。压电材料尤其是压电陶瓷在工程领域作为传感器和驱动器的应用已经非常成熟。近几年来，压电材料在环境能量俘获以及无线能量传输领域的应用也已引起世界各国学者的高度关注。从实现“智能结构”所需的四个关键要素不难看出，压电材料已经在“智能结构”中扮演了重要的角色(应用于传感器和驱动器)，而在可以预见的不远的将来，压电材料为“智能结构”提供除电缆和电池外的替代电源选项也将成为现实，必将极大地促进“智能结构”向无线化和集成化方向发展。不难看出，针对压电器件的研究将极大地推动“智能结构”的发展。压电器件具有各种不同的结构形式，其中，以压电悬臂梁和压电叠堆最为常用。本文将针对压电悬臂梁和压电叠堆精细化理论分析模型的建立以及新型俘能器件的开发展开研究，并进一步探索压电悬臂梁和压电叠堆在能量俘获中的应用。本文主要研究内容如下：
(1)基于压电弹性理论得到了压电悬臂梁在准静力荷载作用下的精确解，该解为压电悬臂梁动力学模型的建立提供了指导或验证。在弹性力学框架下要得到既满足控制方程、又满足苛刻的边界条件的精确解通常是非常困难的，尤其是将剪力的作用考虑在内时，能寻求到精确解的问题更是凤毛麟角。双层压电悬臂梁是压电层合悬臂梁中最基本的形式。然而，当考虑剪力作用时，对于上下层具有不同厚度和不同材料参数的广义双层压电悬臂梁，其在热-力-电荷载共同作用下的精确解尚没有得到。在本文第二章中，基于压电弹性理论，考虑端部剪力作用，利用应力函数法，通过建立合适的边界条件，得到了广义的双层压电悬臂梁在端部剪力、端部轴力、端部弯矩、温度改变和外加电压共同作用下的统一解。本文所得广义双层压电悬臂梁的精确解，既可退化到单晶片和双晶片压电悬臂梁的解答，还能对已有的基于Euler-Bernoulli梁理论的单晶片和双晶片压电悬臂梁的解答进行修正。另外，本文所得静力学解答还表明，当压电悬臂梁中存在弯曲变形时，即使压电层的厚度非常薄，压电层横截面上的电场强度沿厚度方向的分布也并不均匀，而是沿厚度方向呈线性分布。
(2)提出了改进的压电悬臂梁分布参数模型，进而对基于传统分布参数模型得到的悬臂式压电俘能器的关键性能参数进行了修正。为便于计算，传统的压电悬臂梁尤其是悬臂式压电俘能器的动力学模型几乎都建立在Euler-Bernoulli梁理论之上。已有的基于Euler-Bernoulli梁理论建立的悬臂式压电俘能器分布参数模型，有一个共同点就是将压电层中的电场沿厚度方向假设为常数。然而，在Euler-Bernoulli梁理论的框架下，均匀电场假设存在一个致命的问题，那就是压电层中的电位移散度不为零。众所周知，某一个点的电位移散度代表此点的自由电荷密度，压电层中的电位移散度不为零意味着压电层中存在自由电荷，这有悖于理想绝缘体中不存在自由电荷的物理学基础。受第二章给出的压电悬臂梁精确解启发，本文在第三章中将非均匀电场引入到基于Euler-Bernoulli梁理论的悬臂式压电俘能器分布参数模型中，对分布参数模型进行了改进。由于上述改进模型可以简单地退化为悬臂式驱动器模型，因此，第三章提出的改进的悬臂式压电俘能器分布参数模型也可称为改进的压电悬臂梁分布参数模型。在第四章中，利用改进的压电悬臂梁分布参数模型，对基于传统分布参数模型得到的悬臂式压电俘能器的关键性能参数进行了修正，包括抗弯刚度修正、谐振频率修正、开路电压修正、最优负载电阻修正以及最优输出功率修正。
(3)建立了压电叠堆驱动器、压电叠堆俘能器和超声能量传输系统的力电耦合模型，并通过实验验证了模型的正确性。在已有关于压电叠堆的理论分析模型中，尤其是在基于压电弹性理论的完全耦合模型中，往往没有考虑附加质量块和外加约束的影响。然而，在实际工程应用中，尤其是在超声能量传输应用中，由于能量转换过程中产生大量的热，输入端和输出端的压电叠堆往往并不是通过胶水粘接而成的叠堆，而是通过端部金属块加紧固锚杆将压电片机械压紧组成的叠堆，这样一来，在理论建模中必须将端部质量以及外围约束考虑在内。本文第五章基于压电弹性理论，考虑端部质量和外围约束的影响，分别建立了压电叠堆驱动器、压电叠堆俘能器和超声能量传输系统的力电耦合模型，并对模型的正确性进行了实验验证。随后，利用本章建立的力电耦合模型，进一步对超声能量传输系统进行了详细的参数分析，揭示了力学和电学边界对能量传输性能的影响。
(4)提出了一种新型弯-压式压电俘能单元，建立了其力学分析模型，并制备了新型俘能原型机。叠堆式压电俘能器通常用于直接承受荷载下的能量俘获，然而在已有的相关研究中，既能承受千牛级荷载又有毫瓦级能量输出的俘能器鲜有报导。本文在第六章中提出了一种以压电叠堆作为能量转换核心的新型弯-压式压电俘能单元，建立了新型俘能单元的力学分析模型，制备了新型俘能单元的原型机，完成了原型机性能的实验室测试，验证了所建力学分析模型的正确性。本文提出的新型俘能单元由独立的钢构件和压电叠堆通过机械连接组成，各个构件间无胶层，且各个受力构件均可替换。通过特殊的弯-压设计，俘能单元的外围钢构件能保证压电叠堆在工作中承受压应力作用，从而大大提高了俘能单元的承载能力。通过替换关键传力构件，此俘能单元可有效放大或减小外加荷载，从而实现强化模式和保护模式。对俘能单元原型机的实验测试表明，在4Hz-600N简谐荷载作用下，单个俘能单元功率输出可达17.8mW。实验过程中，将预紧力计算在内，俘能单元所承受的最大荷载达到2.8kN，但是并未达到其承载极限。此外，本文还对并联的俘能单元共同工作时的内部相互作用进行了深入研究。
(5)建立了埋置俘能单元的轨道结构在移动荷载作用下的理论分析模型，给出了俘能单元的理论电学输出。基于Euler-Bernoulli梁理论和Winkler弹性地基梁理论，将俘能单元埋置于轨枕中，本文第七章对新型弯-压型压电俘能单元在铁路系统中的应用进行了数值模拟，建立了埋置俘能单元的轨道结构在移动荷载作用下的理论分析模型，并给出了俘能单元的理论电学输出。分析结果显示，当一辆包含五节车厢的列车以40m/s的速度从单个俘能单元上驶过，强化模式下和保护模式下的俘能单元电能输出功率分别达到0.49W和0.62W。
(1)基于压电弹性理论得到了压电悬臂梁在准静力荷载作用下的精确解，该解为压电悬臂梁动力学模型的建立提供了指导或验证。在弹性力学框架下要得到既满足控制方程、又满足苛刻的边界条件的精确解通常是非常困难的，尤其是将剪力的作用考虑在内时，能寻求到精确解的问题更是凤毛麟角。双层压电悬臂梁是压电层合悬臂梁中最基本的形式。然而，当考虑剪力作用时，对于上下层具有不同厚度和不同材料参数的广义双层压电悬臂梁，其在热-力-电荷载共同作用下的精确解尚没有得到。在本文第二章中，基于压电弹性理论，考虑端部剪力作用，利用应力函数法，通过建立合适的边界条件，得到了广义的双层压电悬臂梁在端部剪力、端部轴力、端部弯矩、温度改变和外加电压共同作用下的统一解。本文所得广义双层压电悬臂梁的精确解，既可退化到单晶片和双晶片压电悬臂梁的解答，还能对已有的基于Euler-Bernoulli梁理论的单晶片和双晶片压电悬臂梁的解答进行修正。另外，本文所得静力学解答还表明，当压电悬臂梁中存在弯曲变形时，即使压电层的厚度非常薄，压电层横截面上的电场强度沿厚度方向的分布也并不均匀，而是沿厚度方向呈线性分布。
(2)提出了改进的压电悬臂梁分布参数模型，进而对基于传统分布参数模型得到的悬臂式压电俘能器的关键性能参数进行了修正。为便于计算，传统的压电悬臂梁尤其是悬臂式压电俘能器的动力学模型几乎都建立在Euler-Bernoulli梁理论之上。已有的基于Euler-Bernoulli梁理论建立的悬臂式压电俘能器分布参数模型，有一个共同点就是将压电层中的电场沿厚度方向假设为常数。然而，在Euler-Bernoulli梁理论的框架下，均匀电场假设存在一个致命的问题，那就是压电层中的电位移散度不为零。众所周知，某一个点的电位移散度代表此点的自由电荷密度，压电层中的电位移散度不为零意味着压电层中存在自由电荷，这有悖于理想绝缘体中不存在自由电荷的物理学基础。受第二章给出的压电悬臂梁精确解启发，本文在第三章中将非均匀电场引入到基于Euler-Bernoulli梁理论的悬臂式压电俘能器分布参数模型中，对分布参数模型进行了改进。由于上述改进模型可以简单地退化为悬臂式驱动器模型，因此，第三章提出的改进的悬臂式压电俘能器分布参数模型也可称为改进的压电悬臂梁分布参数模型。在第四章中，利用改进的压电悬臂梁分布参数模型，对基于传统分布参数模型得到的悬臂式压电俘能器的关键性能参数进行了修正，包括抗弯刚度修正、谐振频率修正、开路电压修正、最优负载电阻修正以及最优输出功率修正。
(3)建立了压电叠堆驱动器、压电叠堆俘能器和超声能量传输系统的力电耦合模型，并通过实验验证了模型的正确性。在已有关于压电叠堆的理论分析模型中，尤其是在基于压电弹性理论的完全耦合模型中，往往没有考虑附加质量块和外加约束的影响。然而，在实际工程应用中，尤其是在超声能量传输应用中，由于能量转换过程中产生大量的热，输入端和输出端的压电叠堆往往并不是通过胶水粘接而成的叠堆，而是通过端部金属块加紧固锚杆将压电片机械压紧组成的叠堆，这样一来，在理论建模中必须将端部质量以及外围约束考虑在内。本文第五章基于压电弹性理论，考虑端部质量和外围约束的影响，分别建立了压电叠堆驱动器、压电叠堆俘能器和超声能量传输系统的力电耦合模型，并对模型的正确性进行了实验验证。随后，利用本章建立的力电耦合模型，进一步对超声能量传输系统进行了详细的参数分析，揭示了力学和电学边界对能量传输性能的影响。
(4)提出了一种新型弯-压式压电俘能单元，建立了其力学分析模型，并制备了新型俘能原型机。叠堆式压电俘能器通常用于直接承受荷载下的能量俘获，然而在已有的相关研究中，既能承受千牛级荷载又有毫瓦级能量输出的俘能器鲜有报导。本文在第六章中提出了一种以压电叠堆作为能量转换核心的新型弯-压式压电俘能单元，建立了新型俘能单元的力学分析模型，制备了新型俘能单元的原型机，完成了原型机性能的实验室测试，验证了所建力学分析模型的正确性。本文提出的新型俘能单元由独立的钢构件和压电叠堆通过机械连接组成，各个构件间无胶层，且各个受力构件均可替换。通过特殊的弯-压设计，俘能单元的外围钢构件能保证压电叠堆在工作中承受压应力作用，从而大大提高了俘能单元的承载能力。通过替换关键传力构件，此俘能单元可有效放大或减小外加荷载，从而实现强化模式和保护模式。对俘能单元原型机的实验测试表明，在4Hz-600N简谐荷载作用下，单个俘能单元功率输出可达17.8mW。实验过程中，将预紧力计算在内，俘能单元所承受的最大荷载达到2.8kN，但是并未达到其承载极限。此外，本文还对并联的俘能单元共同工作时的内部相互作用进行了深入研究。
(5)建立了埋置俘能单元的轨道结构在移动荷载作用下的理论分析模型，给出了俘能单元的理论电学输出。基于Euler-Bernoulli梁理论和Winkler弹性地基梁理论，将俘能单元埋置于轨枕中，本文第七章对新型弯-压型压电俘能单元在铁路系统中的应用进行了数值模拟，建立了埋置俘能单元的轨道结构在移动荷载作用下的理论分析模型，并给出了俘能单元的理论电学输出。分析结果显示，当一辆包含五节车厢的列车以40m/s的速度从单个俘能单元上驶过，强化模式下和保护模式下的俘能单元电能输出功率分别达到0.49W和0.62W。