风能是自然界中普遍存在的一种资源形式,因为其储量大,分布广且可再生,所以也是重点开发利用的清洁能源之一。当前对风能利用较为普遍的工程技术条件是利用大型涡轮叶片将风能转化为电能,从而为人们的生产和生活提供便利。近些年来,随着无线网络传感技术、无线电子设备以及微电子产品的迅速发展,如何将风能转化为电能为微机电系统持续提供电能成为了研究热点。由于压电材料具有压电效应,可以将结构发生振动时的机械能转化为电能,因此,压电俘能器在该领域得到了广泛的研究和应用。目前,大多数的文献都是在小变形理论假设下,研究矩形压电悬臂梁的风能采集转化特性。然而,在实际环境中,当外界风速较大时,悬臂梁结构很容易产生大变形,并且考虑到风载荷的参数非线性等因素,也会引起悬臂梁的非线性振动。因此,本文将研究对象从传统的矩形悬臂梁引申到变截面悬臂梁,并对俘能器在风激励下的非线性振动特性和俘能特性进行了一系列的理论计算和研究。本文基于大变形理论,应用哈密顿原理推导出了压电悬臂梁俘能器的非线性偏微分控制方程,并通过伽辽金法对力电耦合的动力学方程进行离散化,得到了非线性常微分控制方程的降阶模型。随后,对所建立的理论模型进行数值计算,分析了风速、负载电阻、宽度比、方柱体质量以及几何形状等因素对压电俘能器振动特性和电能输出响应的影响。研究表明,系统的电学响应是不同因素共同作用的结果,为了可以最大程度的俘获风能并提高电能输出,要充分权衡不同因素的影响,以便在特定条件下做出最合理的选择和设计。为了进一步研究压电悬臂梁俘能器的响应特性,在梯形压电悬臂梁的基础上增加了一个磁铁和线圈,组成了压电—电磁复合式俘能器。通过研究磁铁位置、混合电路的负载电阻、风速等参数对复合式系统振动和俘能特性的影响可以发现,虽然复合式俘能装置在一定程度上会抑制压电电路的输出功率,但同时也减小了振动系统的位移幅值,因此可以降低结构开裂损坏的风险。此外,在外界风速一定的条件下,通过合理的调整磁铁位置、压电电路和电磁电路的负载电阻,也能够使复合式俘能器的整体输出功率达到最大化。本文的研究结果可以为压电俘能装置在实际工程中的应用和进一步设计优化提供一定的参考和建议。