能量收集技术是解决物联网能源供给局限的关键技术,随着传统化石燃料的枯竭,收集环境中耗散的能量越发受到重视。振动能量在自然界广泛存在且不受天气及场合等限制。振动能量收集装置由最初的谐振式能量收集装置发展为以双稳态特性为代表的非线性能量收集装置。常见的非线性振动能量收集装置主要是包括悬臂梁或固支梁的梁式能量收集装置。梁结构作为振动能量收集装置的经典结构,其结构简单,工作原理完善。但是梁结构在振动能量收集装置中存在一些明显的缺陷,例如应力集中和结构不紧凑,限制了能量收集装置的实用性。本文以改善非线性能量收集装置的实用性和适用性为目标,通过理论模型的建立,有限元仿真的对比和验证实验的证明,提出了一类非悬臂梁结构的双稳态能量收集装置,并设计了两种不同原理的非悬臂梁结构的双稳态能量收集装置。论文的主要工作和研究内容包括三点:(1)根据工作原理的不同,整理并分类了双稳态能量收集装置,归纳了非线性能量收集装置的结构并发现目前常见的非线性能量收集装置主要基于梁结构设计。通过对梁结构的分析,发现其在能量收集装置中的缺陷——应力集中降低工作效率和结构不紧凑限制能量收集装置的实用性。对比波纹管结构和梁结构在能量收集装置中的工作形式和应力分布证明了波纹管结构的能量收集装置的优势——应力周期分布以及可代替其他装置中的弹性元件。利用波纹管代替梁结构设计了两种不同原理的非悬臂梁结构的双稳态能量收集装置,分别是磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置和磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置。(2)建立了所提出的磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的理论模型,分析了磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的势能函数并通过推导所设计装置的静态分岔点分析了磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的运动特性与理论模型中各参数之间的关系。根据所建立的理论模型推导出磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的运动方程,根据运动方程进一步确定影响磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置双稳态特性的参数包括磁铁间水平间距,外界激励幅值和外界激励频率。利用有限元仿真,定频实验和扫频实验得到并验证了各参数对磁斥力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的运动特性与工作效率的影响。(3)利用磁偶极子模型推导出所提出的磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的理论模型,通过分析磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的势能函数并推导磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的动态平衡位置得到了影响磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置运动特性的各类参数及其之间的关系。利用所推导的磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的理论模型得到其运动方程,根据运动方程发现磁铁间水平间距,磁铁间竖直间距以及外界激励的振幅和频率会影响磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的双稳态特性。为了证明双稳态特性对所提出的非悬臂梁结构的双稳态能量收集装置在工作带宽和工作效率上的改善,分别利用有限元仿真对比了磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置在低频简谐激励下处于线性特性以及处于双稳态特性下的位移-速度-时间轨迹和利用扫频实验对比了不同参数条件下的磁吸力式波纹管结构的双稳态能量收集装置的位移,输出电压,有效工作带宽和输出功率。