从人类开始使用工具而区别于普通灵长类动物,人类文明走过了石器时代、青铜时代、铁器时代等由硬质材料来界定的发展历程。直到今天,硬材料在工程领域得到了最为广泛的应用。自然界的动、植物等生物体的主要结构则大多属于软材料,软材料伴随着生命的演化历经了数亿年。与传统的金属、陶瓷等硬材料相比,软材料有着大变形、多功能、多物理场效应等特点,其行为更为复杂,建模与分析更具挑战。随着人类社会与科技的发展,实现和应用软材料的许多特性成为在大量工程应用中的技术关键。研究人员不断致力于研究、制造各种软材料并用其实现传统硬材料不具备的性能。许多软材料在受外界激励后会发生变形或引发相应的功能响应,这种材料被称为功能软材料(soft active material,SAM)。介电高弹聚合物属于典型的功能软材料,通过电压作用,介电高弹聚合物可产生超过100%的应变,并具有轻质量、快反应和高能量密度等优点,在智能仿生、航空航天、机械、新能源等领域有巨大的应用潜力。本学位论文主要研究介电高弹聚合物这一类功能软材料。本文阐述了基于热力学框架与连续介质力学模型的介电高弹聚合物理论。分析模型中考虑了聚合物分子结构理论,耦合了大变形和力电加载,描述了介电高弹聚合物非线性、非平衡以及动力学行为。基于该模型,对介电高弹聚合物换能器在驱动器、能量收集器和振动器等不同工作模式下的具体问题进行了分析和数值模拟。研究了介电高弹聚合物的失拉、断裂、电击穿、粘弹性、失稳等力电失效和力电耗散现象。通过分析这些现象的产生机理和特性,得到克服或利用介电高弹聚合物特有的力电性能,实现换能器极大电致变形、高效能量收集、主动调频振动等性能的理论方案。通过模拟仿真,进行换能器结构与介电高弹聚合物材料的优化设计,并在试验上完成介电高弹聚合物换能器在不同工作模式下的高性能实现。首先,在理论建模与数值实现方面,本文基于热力学框架推导得到介电高弹聚合物的力电本构关系。使用了Gent。Arruda-Boyce、Neo-Hookean等材料模型以及理想介电高弹聚合物假设来描述介电高弹聚合物在力电耦合加载下的大变形响应。分析模型可以研究介电高弹聚合物的静力学问题,结合材料特性和失效机制,可很好地描述力电稳定性、电击穿等现象。在进一步的研究中,作者在模型中引入了粘弹性、漏电等耗散机制、惯性效应与非线性振动响应,讨论了介电高弹聚合物的非平衡态以及动力学问题。在模拟仿真中应用改进的数值算法,形成了一套可以有效描述介电高弹聚合物非均匀场分布、多稳态、动态振动响应等力电特性的分析模拟手段,为介电高弹聚合物的理论研究和器件优化设计提供了有效的分析工具。在介电高弹聚合物换能器设计与研究中,基于力电本构模型和数值方法,讨论了能量收集密度,能量转换率、电致变形量、力电耗散等关键问题,得到提升换能器性能的一般理论。研究了圆形驱动器、恒力驱动器,薄膜充气式驱动器、薄膜充气能量收集器、可调频振动器等实际器件。对于各器件,通过数值仿真、优化设计以及实验参数控制完成了换能器高性能实现,包括：极大电致变形量,能量收集密度,能量收集效率提升,主动调频实现与调频范围控制等。对于介电高弹聚合物驱动器,在恒力驱动器上实现了488%的电致面积变形,在薄膜充气式驱动器上实现了1692%的电致面积变形,为目前见诸报道的最高值；在薄膜充气式能量收集器上实现了102mJ/g的高能量收集密度。实验结果验证了介电高弹聚合物的极大电致变形理论以及能量收集模型,并对介电高弹聚合物的理论研究和实际器件设计都具有重要意义。实验与仿真交互、基于仿真的优化等方法也可推广到其他功能软材料,以至其他先进材料与结构的研究与应用中。