随着能源日益短缺和微机电系统的大量应用,传统以化学电池为供能源造成环境污染和定期更换等问题,其持续供能问题矛盾突出。振动能量俘能器作为一种有潜力的、能替代的清洁能源形式,能够为低功耗的微机电系统持续稳定的供能。利用俘能技术能将自然界的振动能转化为有用的电能,其中,振动源包括风能、水能和机械振动能等。由于风能来源广泛且易于俘获,面向自然界中低流速的风能,本文提出基于翼型颤振压电俘能器,能应用于航空航天、森林预警、桥梁结构监测和气象预报等领域,具有重要的实际意义和广泛的应用前景。基于翼型颤振工作原理,翼型易于发生垂直于气流的摆动运动和绕弹性轴的扭转运动。为了有效俘获低流速的风能,设计一种扭摆运动的翼型颤振压电俘能器。为了进一步降低颤振起始速度和提升俘能特性,设计一种附属杆状的扭摆运动翼型颤振压电俘能器和一种机翼摆动及扭转与襟翼扭转运动的翼型颤振压电俘能器。分析翼型截面形状和压电俘能器结构参数对气动性能和气动弹性振动的影响,并获得较优的翼型截面形状和结构参数。基于二元翼型理论和采用Hamilton原理,建立压电俘能器固-电耦合场的数学方程。采用准定常、非定常和动态失速气动力模型,推导二自由度扭摆运动的翼型颤振压电俘能器流-固-电耦合场的数学模型,研究结构参数对气动弹性振动和俘能特性的影响。采用非定常气动力模型,推导三自由度机翼摆动及扭转与襟翼扭转运动的翼型颤振压电俘能器的数学模型,理论分析其振动响应和俘能特性。得到系统输出对机翼摆动和扭转自由度刚度系数变化的灵敏度远远高于襟翼扭转自由度的。较小的机翼扭转刚度系数,较大的摆动和襟翼扭转刚度系数,能够获得较大的气动弹性振动响应和较好的俘能特性。采用计算流体动力学,建立二自由度翼型颤振压电俘能器多物理场的有限元仿真模型,推导二自由度运动的数学方程,仿真分析压电俘能器结构参数对流场特性、气动弹性振动和俘能特性的影响。解释在摆动和扭转自由度的耦合作用,并获得翼型附近的流场和俘能特性。建立附属杆状的二自由度压电俘能器的仿真模型,得到附属杆状改变流场流动模式,增加气动性能。附属方柱压电俘能器的气动弹性振动明显高于D型柱和无附属杆状的。建立三自由度翼型颤振压电俘能器的有限元仿真模型,推导三自由度运动的数学方程,仿真分析襟翼安装角度对压电俘能器的流场特性、气动弹性振动和俘能特性的影响。得到减小襟翼安装角度,促进翼型尾缘的涡旋脱落,增加气动弹性振动,从而提升俘能特性。搭建风洞实验平台,制作二自由度翼型颤振压电俘能器、附属杆状的二自由度翼型颤振压电俘能器和三自由度翼型颤振压电俘能器的实验样机。研究结构参数和风速对其气动弹性振动和俘能特性的影响,验证所建立二自由度数学模型和仿真模型的有效性,并得到非定常气动力模型能准确地获得振动特性和评价俘能特性。验证附属方柱和D型柱压电俘能器比无附属杆状的降低颤振起始速度和提升俘能特性。在风速为16.84 m/s时,方柱压电俘能器的输出电压为15.14 V,输出功率为0.765 m W。相比较无附属压电俘能器,方柱压电俘能器输出功率提升比都超过40.5%,在11.1 m/s时能实现最大提升比为469.7%。验证建立三自由度数学模型和仿真模型的有效性,实验研究襟翼安装角度对三自由度压电俘能器振动响应和俘能特性的影响。得到减小襟翼安装角度,增加气动弹性振动,从而提高俘能特性。选择合适的襟翼安装角度同时实现能量俘获和振动抑制。搭建能量收集储存电路,当三自由度压电俘能器在16.84 m/s时充电90 s,电容电压为1.83 V,驱动计步器的放电时间达到139 s。