发展新型能量采集技术,为无线传感设备供应电能已成为智能社会发展的热点话题之一。流致振动能量采集是一种可用且重要的新型能量采集技术,气动弹性颤振这类典型的流致振动现象为能量采集的动力源设计提供了重要选择,也受到越来越多学者的关注。本文建立了机翼类气动弹性颤振的动力源和能量采集力学及数学模型,以不同结构分支换能采集为切入点,引入外挂子系统以实现对动力源系统动力学特性的设计与优化,考虑了间隙等多种非线性因素以拓宽能量采集工作流速区间,发展了非线性（极限环）颤振分析和隔离外挂的等效分析方法,实现了对动力源和采集器的动力性能设计和非线性简化分析,总结了Hopf分岔类型、极限环颤振模式和颤振模态对动力源和能量采集性能的影响规律,揭示了动力源系统的复杂非线性动力学行为及其发生机制,为该类动力源系统的设计提出了指导性建议。全文先从局部设计出发,提出了一种以俯仰运动为驱动的二元翼颤振电磁能量采集模型和外挂子系统压电能量采集模型,从换能采集的角度评估了极限环颤振模式和颤振模态影响性能的原因;而后,建立了外挂-二元翼动力源模型,用于讨论外挂对系统动力设计的调节作用;最后,为了研究颤振模态转变行为和间隙联接等因素对非线性行为和动力性能的影响,建立了外挂-弹性翼动力源模型。主要研究内容包括:（1）在二元翼颤振能量采集模型中引入初偏型间隙非线性,通过非线性颤振分析方法和频响函数,讨论了Hopf分岔类型和极限环颤振模式对采集器工作流速区间和采集功率的影响。研究发现:亚临界Hopf分岔与单稳环颤振的结合模式有利于采集性能的更大化;双稳环颤振的出现需要系统发生亚临界Hopf分岔;相比沉浮刚度和弹性轴位置,质心轴位置明显改变颤振边界曲线的斜率,对工作流速区间影响更显著;采集功率更依赖电磁耦合参数和流速,对质心轴位置并不敏感。（2）采用隔离外挂子系统的强迫振动建模方式,建立了外挂子系统压电能量采集模型,通过气动弹性解导出了机翼作用于外挂子系统的外激励,进行了强迫振动的外挂动力学和能量采集分析。在外挂理想联接时,给出了功率和效率关于外激励频率的近似解析式,发现机翼低频响应有利于提高采集效率。研究表明:进入拟周期气动弹性响应时（机翼以双频激励的形式作用于外挂）,高频分支的出现使采集性能急剧降低,且高频成分占比越大,性能越低,应予以避免;间隙非线性诱导系统在远离共振区产生大量谐波解、多稳态和混沌运动,多稳态解中响应峰值频率越低,功率和效率越高。（3）进行了外挂-二元翼振动动力源设计,考虑外挂联接间隙、俯仰立方、运动惯性和气动力四种非线性,通过分岔响应、流体能量吸收和外挂能量占比分析,发现:间隙诱导产生的双稳态解中,机翼大幅值运动有利于流体能量的高效吸收,外挂大（小）幅值运动使系统能量集中于外挂（机翼）分支,进行外挂（机翼）换能采集更优;激变会导致响应行为的突变,破坏能量吸收与动力供应的一般规律,应予以避免,周期倍化、周期窗口等非线性动力学行为则不会产生上述问题。（4）考虑几何、运动惯性和气动力多种非线性,建立了外挂-弹性翼动力源系统,提出了一种ONERA气动力的高效简便改进算法。在系统发生不同模态颤振失稳经Hopf分岔进入单周期运动,及出现与相应线性系统二次颤振相关的二次Hopf分岔进入拟周期运动时,讨论了外挂分支能量及其占比。研究表明:低（高）频颤振使系统能量集中于外挂（机翼）分支,且低频颤振时的外挂能量高于高频颤振时,进行外挂（机翼）分支换能采集更优;二次颤振和拟周期运动的出现使系统能量分布发生显著变化,对机翼和外挂换能采集均不利,应予以避免。（5）利用间隙非线性等效刚度覆盖至零的特征,在弹性翼与外挂联接刚度中引入间隙非线性,进行了动力源工作流速区间的拓宽设计。鉴于间隙与其它非线性存在各自主导工作流速区间的特点,利用非线性颤振分析方法完成了间隙诱导的工作流速区间拓宽和极限环颤振模式设计。研究发现:若等效刚度覆盖的有效颤振边界上存在更小的颤振临界流速,则间隙通常都会使工作流速区间往低流速方向拓宽。若联接刚度大于其静力发散临界值,且有效颤振边界仅包含一个颤振分支,或者联接刚度小于其静力发散临界值,则系统能量分布与外挂理想联接时相近,对换能采集设计有利;若联接刚度大于其静力发散临界值,且有效颤振边界包含高、低频两个颤振分支,则间隙会诱导系统产生双稳态解,其中高频解使系统能量更集中于外挂子系统,这与其它结果相反,可用于高频颤振工况的外挂换能采集。