压电俘能器是一种将周围环境振动的能量转为电能并加以储存和利用的装置。因其具有转换效率高的优点而受到广泛关注,随着微纳机电系统的发展,俘能器成为替代传统更换式蓄电池的方案之一。基于悬臂结构的压电俘能器结构简单,易于设计和加工。而且其整体结构具有较低的固有频率,容易与周围环境的振动产生共振,成为了研究关注的焦点。且在悬臂结构上附加集中质量可以对俘能效率进行增强。然而,确定的结构只能使其在固有频率附近范围内工作,不能适应多种外激励频率下的俘能。因此,设计能够调节自身固有频率的结构,拓宽俘能器的带宽,对于压电俘能器在复杂激励频率下工作具有至关重要的意义。为了拓宽俘能器的工作频率范围,文章提出了两种新型的附加滚动球压电俘能器,一种是利用滚动球位置改变带来的可调谐功能,另一种是利用滚动球带来的冲击力拓宽俘能器的带宽。主要研究内容分为以下几个方面:(1)基于传统的悬臂板模型,设计了一种具有调谐功能的悬臂板结构。在悬臂板两侧各附加一个箱子,每个箱子内各放置一个可滚动的球。针对该悬臂板,提出了分段形式的振型函数表达式,同时考虑滚动球和箱子的刚体平面运动,并应用Hertz接触理论,描述球与箱体的冲击和碰撞。利用Hamilton原理建立带有接触力的动力学方程,并通过实验验证了模型的正确性。分析和研究了结构参数,如板的厚度、箱子的长度和质量、球的质量对结构固有频率及频宽的影响。针对滚动球和固定球两种情况,利用MATLAB软件计算并对比系统在不同激励频率下的响应。研究了球在不同初始位置对悬臂板响应和调谐功能的影响。(2)基于本文提出的附加质量球可调谐悬臂板结构,设计了一种新型宽频的压电俘能器。在板结构表面铺设一层压电材料,并将压电层上下两极引出,接入外电路。综合俘能器的动力学方程和电学方程,利用MATLAB软件进行求解。计算了俘能器在不同外激振频率下的输出电压,给出了俘能器在不同外激振加速度下的响应规律,研究了不同球质量、压电层长度对俘能器带宽的影响。分析并给出了不同条件下功率随外阻负载的变化规律。(3)基于双悬臂梁模型,在两个压电复合梁之间附加一钢球,并设计轨道使球只在双梁之间往复运动,球与双梁发生接触碰撞时会在他们之间产生较大的接触力,可以使梁的位移增大,提高俘能效率。基于欧拉梁理论,利用Hertz接触理论和Hamilton原理,建立了双梁滚动球冲击结构压电俘能器的动力学方程。利用MATLAB软件对系统的动态响应进行了计算,求解了系统的幅频响应曲线,并与无球无冲击时结构的幅频响应进行了对比。给出了系统在共振和非共振情况下的响应。分析了双梁冲击结构在低频工作时的可行性。