近年来,随着无线监测传感器等微电子设备逐渐向低功耗方向发展,从机械振动中收集能量而为电子设备供电的供给方式变得越来越重要,此种方式可以降低电子设备对电池等外部电源的依赖性,从而实现自供能,使电子设备在长时间内不间断地工作。与电磁式和静电式振动能量收集技术相比,压电振动能量收集技术具有结构简单,无电磁干扰,易于加工制备和可实现机构的微小化、集成化等诸多优点而备受国内外研究人员的关注。传统线性压电振动能量收集器只有当振动频率与其共振频率接近时才有效,但振动能的频率是随机的或是在一定范围内变化,因此线性压电能量收集器无法满足实际需求,而实现宽频能量收集才更具有实际意义。得益于非线性动态响应,双稳态结构成为实现宽频能量收集颇具前景的选择之一。双稳态复合材料层板是一种典型的双稳态结构,在跳变过程中可实现大变形,且在一定频率范围内具有丰富的非线性动态响应,这使其成为实现宽频压电振动能量收集的潜在方案之一。本文以压电振动能量收集技术为背景,结合一种双稳态混杂对称层板,设计并研究一种新型的双稳态宽频振动压电能量收集器,主要工作如下:为了获得双稳态混杂对称层板的稳定构型特点,首先对双稳态混杂对称层板的稳定构型进行预报。通过有限元模型分析了自由边界下双稳态混杂对称层板的曲率及中心面应变分布规律,基于此规律建立了稳定构型的预报模型,说明其双曲率和曲率分布均匀的特点,并分析了铺层和几何尺寸对构型的影响。考虑实际应用的情况,建立了悬臂边界下双稳态混杂对称层板的稳定构型预报模型,并结合有限元模型和实验分析了铺层方式和几何条件对此种边界下稳定构型的影响。为了了解双稳态混杂对称层板构型转变过程中的大变形和非线性特性,通过有限元模型和实验研究了双稳态混杂对称层板在四点支撑和悬臂边界下的跳变行为,发现其跳变过程的载荷位移曲线具有与初始构型相关的两个路径,并进一步分析了悬臂边界下层板铺层和几何条件对跳变行为的影响;通过构型预报结果,选取了三种构型差异较大具有不同铺层的双稳态混杂对称层板,利用有限元模型和实验分析了三种层板在跳变过程中的应变变化,同时确认应变分布的均匀性,并以此作为判断双稳态混杂对称层板动态响应的依据。为获得三种层板的固有属性,建立有限元模型分析了悬臂边界下的一阶线性固有频率和模态,并进一步建立有限元动态模型模拟层板的振动响应。通过实验监测层板的三个位置在两个方向的应变获得三种层板在不同激励水平下的非线性动态响应,通过应变值来确定层板是否发生跳变,从而确定单阱振动和阱间振动,并进一步通过应变变化规律判断阱间振动的类型。通过以上双稳态混杂对称层板静力学和动力学特性的研究,为双稳态压电能量收集器的设计提供依据;根据双稳态混杂对称层板的构型特点,设计了四种具有不同铺层方式和压电陶瓷形状的双稳态压电能量收集器,建立有限元模型分析了双稳态压电能量收集器的稳定构型和压电陶瓷的应力状态。实验制备这四种双稳态压电能量收集器,通过充电性能测试获得了由构型所致的初始电压并与有限元模型进行了对比,测试了双稳态压电能量收集器在往复跳变情况下的输出功率,并与相同设置的线性压电能量收集器进行了对比。利用有限元模型研究了铺层方式、混杂宽度以及压电陶瓷几何尺寸对双稳态压电能量收集器的纵向曲率和初始电压的影响规律,并分析了压电陶瓷的应变与初始电压之间的关系,从而揭示双稳态压电能量收集器的基本特性。实验验证了三种因素的影响规律,分别测量了所制备的五种双稳态压电能量收集器的稳定构型和初始电压,并进一步测量了在一定激励水平下五种双稳态压电能量收集器的动态响应,获得了往复跳变过程中和不同振动响应类型下的输出功率。设计并制备了更适合于能量收集的小尺寸且低纵向曲率的双稳态压电能量收集器,并同时设计了三种相同几何尺寸的线性压电能量收集器来说明双稳态压电能量收集器的特点与优势,通过实验系统地研究了双稳态压电能量收集器和三种线性压电能量收集器在不同激励水平下的输出电压和输出功率,比较了双稳态压电能量收集器和线性压电能量收集器的输出响应,结果表明双稳态压电能量收集器具有更高输出电压和功率,得益于非线性响应,其有效频带更宽。分析了加速度、频率、压电陶瓷数量以及压电陶瓷位置对双稳态压电能量收集器输出功率的影响趋势,并进一步说明了双稳态压电能量收集器所具有的宽频带和可充分利用压电陶瓷的特性。针对双稳态压电能量收集器低固有频率且激励需求高等缺陷,设计了一种可用于双稳态能量收集器的全铝混杂新铺层,并利用有限元模型和实验验证了此种铺层下的双稳态能量收集器的稳定构型以及动态响应。通过附加质量降低此种双稳态能量收集器的固有频率和激励需求,并根据其回复力特征建立了一个简单的集总参数理论模型用于预测具有附加质量的双稳态能量收集器的动力学响应。