20世纪末,水下机器人(Unmanned Underwater Vehicles,UUV)的关键技术日趋发展成熟,人类在UUV科技攻关和工程应用等领域的活动规模不断扩大,技术水平不断提高。UUV在海洋开发、科学考察以及军事领域的作用日益明显,独特的技术优势和潜在的经济效益,将促使水下机器人在21世纪的人类海洋活动中获得巨大发展。　　 UUV是一种复杂的机械电子工程系统,涉及多个学科的理论知识和工程技术,各个学科之间互相交叉与融合,学科之间的复杂关系给UUV的设计及优化带来极大的挑战,与飞行器、舰船、鱼雷等复杂工程系统相比,UUV的总体设计优化理论尚未成熟,相关的设计知识库或经验积累并未得到系统的整理和提升,设计规范或技术标准有待建立。如何系统地把握UUV的设计活动,形成适应UUV特点的总体设计理论和优化方法,成为UUV领域亟待深入研究的课题。　　 本文以复杂工程系统的设计理论和优化方法为借鉴,以新兴的多学科设计优化方法(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)为切入点,结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研发实践经验,从系统工程的角度探讨UUV的多学科设计优化方法,重点关注UUV的概念设计和初步设计,提高初步设计的科学性和权重,借助日益成熟的数字化设计手段,引入高精度数值模拟分析技术,建立唧设计与分析的自动化集成流程及其支撑环境,指出传统设计优化方法的局限性,阐述多学科设计优化方法的优势,将梯度寻优算法和遗传算法等应用于UUV概念设计空间的寻优搜索,以期望在初始设计阶段就为UUV的系统工程活动奠定良好的基础。　　 本文主要研究内容如下:　　 (1)综述UUV的发展历程与未来发展趋势,探讨UUV在发展过程中存在的问题,重点关注设计方法的发展,借鉴其它复杂工程系统的设计理论,指出UUV总体设计活动的关键环节,找出制约设计水平提升的主要问题,针对设计方法和设计手段方面的局限性,提出有效的解决方法,从而引申出本文的研究内容和意义。　　 (2)水下机器人系统分解与学科分析研究。根据UUV系统技术特点,将学科进行划分,探讨并界定每个学科的内涵与范围,描述各个学科在不同设计阶段所扮演的角色,分析其占据的权重,指出各个学科与总体之间的关系,以及各个学科与其它学科之间的耦合关系;在完成UUV系统分解后,给出几类典型学科的分析内容和分析方法。　　 (3)以水动力学科为重点,讨论UUV概念设计中的学科分析方法。基于计算流体动力学方法,建立了UUV的数值模拟水池,并实现了水下滑翔机器人的水动力批处理计算,降低水动力分析人员的劳动强度,提高分析效率;讨论UUV空间动力学模型及其水动力系数的辨识方法。　　 (4)UUV设计与分析环境集成关键技术研究。对比分析几种成熟的MDO集成环境特点,给出UUV常用设计软件的输入和输出接口,并以脚本语言和批处理技术为基础解决设计与分析环境的集成问题,构建UUV概念设计支撑环境。　　 (5)综述多学科设计优化中基于高精度学科分析所带来的计算困难,介绍解决此问题的近似技术,并引伸出代理模型的思想,综述代理模型的研究与发展状况,详细讨论代理模型的构建过程,介绍试验设计理论,并探讨了各种试验设计方法在设计空间采样中的作用和选择准则,结合测试算例展示了代理模型在对未知设计空间探索中发挥的作用。　　 (6)以水下滑翔机器人机翼设计优化问题为研究对象,建立机翼设计优化模型,实现水动力学科分析流程的自动化,以高精度计算流体动力学求解器为评价手段,研究了基于代理模型的机翼设计优化方法,完整地展示了设计优化过程,研究结果表明,设计空间的寻优效率得到较大提高,传统的梯度寻优算法和遗传算法均得以应用,对比传统设计优化方法与遗传算法之间的差异,讨论优化方法的选择策略,最后给出设计优化结果。