由于能源资源的有限性及生态环境的日益恶化,使得能源的高效、清洁利用成为当今时代动力机械设备发展的主题。维勒米尔(Vuilleumier,简称VM)循环热泵是一种利用低品位热能来驱动,使热量从低温热源转移到高温热源的动力机械设备,相对于利用电能或机械能驱动来说,其转换效率更高。并且,该设备可由太阳能、天然气或工业余热等作为能量来源,因此其转换方式也更为清洁。所以,VM循环热泵的性能研究对于动力机械设备的发展有着重要的研究意义。本文基于一种新型VM循环热泵的试验数据,以该热泵的理论输出功率和性能系数(Coefficient of performance,简称COP)为研究目标。首先,基于该热泵的系统结构以及工作原理,进行热力学和运动学分析。在热力学分析中,对热泵的理想等温模型和理想绝热模型进行了对比分析,并基于研究结果发现:两种模型的总体结论是一致的,而在数值上,绝热具有更高的精度,但在计算速度上,等温模型有更多的优势。在运动学分析中,基于活塞受力情况导出了活塞运动方程,方程的分析显示:活塞运动可分为欠阻尼运动和过阻尼运动,且欠阻尼运动要优于过阻尼运动,在热泵的设计上应避免活塞进入过阻尼运动。其次,基于热力学和运动学分析结果,利用MATLAB软件搭建了新型VM循环热泵的性能仿真平台,并用试验数据对该平台进行了校核。校核结果显示:对于热力学仿真,输出功率的相对误差为4.01%,COP的相对误差为1.24%。对于运动学仿真,活塞行程的平均误差为1.46%,最大误差为4.02%;频率的平均误差为2.7%,最大误差为4.26%,满足性能仿真分析需求。最终,以性能仿真平台为基础,结合NSGA-Ⅱ算法开发了新型VM循环热泵的设计参数优化平台,并应用该优化平台解决试验工况下热泵的实际行程偏小、运动频率过低的问题。优化方案的结果显示:新型VM循环热泵的行程和频率满足设计目标且输出功率提高44%,COP仅下降5%。并且,依托于优化后的设计方案,针对不同运行工况进行多目标优化,得到理想的功率工况、经济工况以及额定工况。其中功率工况的输出功率比原工况提高12.2%,经济工况的COP比原工况提高9.1%。