随着无线传感技术在世界范围内广泛的应用,人们对无线电子设备的供电问题也越来越重视。机械振动能相对于其它形式的能量更容易被收取,且不受服役环境和使用时间等因素的影响,因此被国内外学者广泛研究;其中,压电式能量采集的结构简单,力-电耦合效应较高能够收集更多能量,成为目前能量采集领域的重点研究方向。目前常见的压电振动能量采集器的振动体多为平直梁或L型梁结构。Z型非线性压电振动能量采集器相对于传统的平直梁或L型梁压电振动能量采集器可获得更高的采集效能,且非线性来自于本身的Z型结构,无需磁力非线性。Z型梁结构通过内共振的设计可实现宽频振动,可以拓宽能量采集的带宽。本文结合压电理论和非线性振动理论,对Z型梁的结构参数进行了设计使其前两阶弯曲模态的频率满足1:2的关系;建立了基于1:2内共振的Z型非线性压电振动能量采集器结构的力电耦合控制方程组,通过理论分析及数值仿真的方法对能量采集效率进行了研究。构建Z型梁结构在全局坐标系下的位形向量,利用Hamilton原理推导出Z型非线性压电振动能量采集器的动力学控制方程和边界条件,继而求出系统的固有频率和振型函数。利用有限元仿真软件对系统进行模态分析,将得到的系统固有频率和模态与理论计算结果进行对比,验证了理论计算结果的准确性。研究了折叠角度对Z型非线性压电振动能量采集器固有频率的影响,通过调结Z型梁折叠角度使系统的一二阶弯曲模态的固有频率满足1:2内共振条件。采用多尺度法对能量采集器非线性动力学方程进行摄动求解,探究Z型压电振动能量采集器在1:2内共振条件下,系统参数对能量采集幅值及带宽的影响规律。研究表明,随着激励幅值的增加,系统的幅值和带宽均会增加,产生很明显的非线性现象,而且每段梁上产生的电压幅值均不同,相对于其他梁段,Ⅲ梁产生的电压幅值最高,Ⅰ梁最低,因此Z型梁结构相较于传统的悬臂梁可显著提升能量采集效率,且更适合工作在大激励的工况。在一阶主共振的情况下,当激励幅值一定时,随着阻尼的增大,系统采集到的电压幅值和带宽均减小,且固定二阶模态阻尼,调节一阶模态阻尼,系统幅频响应变化的尤为明显,即可以通过减小一阶模态阻尼来提高系统能量采集的效果。当内共振接近调谐状态时,二阶模态响应幅值逐渐增大,一阶模态响应幅值减小,内共振失谐程度变大后,能量传递相对较少,二阶模态响应幅值逐渐减小,一阶模态响应幅值则又慢慢增大,当系统处于小失谐或者失谐的情况下,输出电压极大值的位置会发生相对偏移,且完全调谐时输出电压最大,通过调谐参数的影响分析证明了在完全调谐时系统采集电压的幅值和带宽可获得最大值,能量采集效能最高。当外激励幅值固定在某一特定值时,系统每段梁上产生的电压幅值随着电阻的增大而增大,由于外激励幅值不变,导致系统的电压幅值并不会随着电阻的增大而一直增大,这为系统选取合适的电阻从而提高能量采集效率提供了参考。最后,搭建实验平台,制作Z型梁试验样机,通过实验分析该模型振动的固有频率和振型,验证理论分析方法的可靠性。