在过去的十几年中,微型低功耗电子器件在很多领域都得到了迅速发展,例如无线传感器,数据传输装置,医学植入器件等。由于传统的化学电池不利于这些电子器件的微型化,科学家们试图从环境中直接获取能量,来为这些低功耗器件提供可靠、绿色的电能。基于压电效应的能量收集装置,因其功率密度大、易于制备等特点而倍受关注。压电振动能量收集系统(Vibration Energy Harvester,VEH)就是运用压电结构收集环境中振动能量的一种技术。由于非线性VEH具有工作频带宽、输出功率高的特点,因此得到了广泛而深入地研究。本文针对非线性压电振动能量收集系统的几个关键技术展开了系统的研究,内容涉及了结构的创新设计、非线性振动、随机振动、非线性机电耦合机理和非线性系统的主动控制等等。主要工作和取得的成果如下:(1)提出了两类提高低强度随机振动能量收集效率的方法。第一个方法是对双稳态VEH的势能形状进行优化设计,通过附加小磁铁的方法降低势能垒的高度,使得双稳态系统在低强度随机激励下能够出现频繁地双阱大幅跳跃,从而提高输出功率。数值仿真和实验都证明了该方法能够有效地降低双稳态系统的相干共振阈值。第二个方法是碰撞法。提出了带碰撞双稳态能量收集系统。研究结果表明,碰撞能够将双稳态系统的单阱运动转化为双阱之间的大幅跳跃运动,从而大幅提高了低强度随机激励的能量收集效率。同时还发现,在合理的碰撞间隙下,系统既能够频繁地出现双阱运动,同时双阱运动的振幅相对较大,也只有在这种情况下,输出功率才能提高。(2)基于振动实验,分别研究了确定性参数激励和随机参数激励下端点附加质量块倒立压电梁的动力特性和能量收集特性。结果表明,在简谐激励下,只有当激励幅值处于不稳定区域内,系统才会出现参激振动并且输出电压。而当参激振动发生时,系统能够将垂直方向的振动能量转化为水平方向的振动响应,从而输出电压。同时我们还发现,该强非线性VEH存在着较强的模态耦合和内共振现象,高频振动能量能够通过该系统转化为低频振动响应。(3)研究了非线性磁耦合双梁VEH在拟线性、单稳态和双稳态状态下的动力学行为和俘能机理。运用谐波平衡法求解了系统的近似解析解。基于理论解和数值仿真结果,研究了基础激励幅值、固有频率比和机电耦合强度对单稳态和双稳态能量收集系统的影响规律。研究结果表明,非线性磁力能够帮助双梁同时出现高能轨道运动,这对提高能量收集效率非常有帮助。然而,分析结果同时表明,当激励幅值、固有频率比和机电耦合强度变化时,双梁的能量收集效率存在着“一增一减”的特性。即,对于高能轨道运动,一个梁能量输出功率的增加伴随着另一个梁输出功率的下降。因此,得益于高能轨道运动的同时出现,双梁的工作带宽是增加的;然而由于这个“一增一减”的特点,双梁系统总的能量收集效率的提升是有限的。(4)探究了AC和DC电路与非线性单稳态VEH之间的机电耦合特性,并研究了这两类电路下系统输出功率以及工作带宽的基本规律。首先,运用谐波平衡法和等效电路法对单稳态VEH在这两类电路下的响应进行了预测。重点研究了电阻变化、基础激励和机电耦合强度对系统性能的影响。结果表明,AC和DC电路对非线性单稳态系统峰值功率和工作频带都有着特殊的影响,这与其对线性系统的影响是有非常大差异的。(5)为了实现非线性VEH的高能轨道运动,确保系统的俘能效率,提出了一类基于电压脉冲的扰动控制方法。数值仿真和实验研究结果都表明,该方法能够将单稳态和双稳态VEH的低能轨道运动控制成高能轨道运动。同时发现,对于不同激励频率,实现高能轨道运动所需的扰动也不同。随着频率的增加,实现高能轨道运动所提升的输出功率也就越大,同时所需的电压脉冲扰动也就越大。