当前产品的设计越来越复杂,所包含的子系统或子学科越来越多,而且整个系统中的耦合效应越来越复杂,使得计算也越来越耗时。针对现代产品设计过程中各学科之间相互作用的耦合效应强和计算量庞大的难点,解决方法之一是采用多学科设计优化(MDO),这使得开发更加高效的MDO方法成为研究热点。由于实际工程问题中往往包含各种不确定性因素,因此实际工程产品的质量和性能都会受到这些不确定性因素引起的重大影响,所以研究不确定MDO方法更加符合工程问题的实际情况。本文结合代理模型技术,提出了新的MDO方法,不需要复杂耗时的多学科分析和繁琐的灵敏度计算;针对工程问题往往包含不确定性的实际,着重对稳健设计进行了研究,结合基于集合策略的设计,提出了不确定性下多学科稳健设计优化方法。工程实例结果验证了本文所提的方法可行有效且实用性强。首先,重点介绍了七种常见MDO方法的基本原理与特性,综合比较了各种MDO方法的优缺点,进而提出了论文的研究框架。其次,提出了一种基于协同近似的MDO方法(CMSO)。构建了一个协同模型作为过滤器,筛选出满足系统分析(SA)或多学科分析(MDA)的可行样本点。利用这些样本点,构建代理模型并对其进行验证与确认。选择最佳的代理模型,构建多学科优化模型,并使用序列二次规划法(SQP)进行优化求解。搭建了基于协同模型(CM)进行协同抽样(CS)并与代理模型结合的MDO框架。通过实例,验证了该方法的有效性、准确性和高效性。实例计算表明,该方法无需反复调用复杂耗时的多学科分析与繁琐的灵敏度计算,提高了计算效率。然后,提出了一种基于协同近似与人工蜂群算法的MDO方法(CMSOALMABC)。引入增广拉格朗日乘子法(ALM),处理MDO数学模型中含有的复杂等式约束条件,通过拉格朗日乘子,将等式约束转化为无约束优化问题。结合协同近似与人工蜂群算法,搭建了该方法的框架,并给出了该方法的步骤与流程。通过实例,验证了该方法的有效性和可行性。该方法提高了全局寻优能力,缩短了工程产品的设计周期,为更加有效地解决现代工程设计问题提供了可能。接着,提出了基于集合策略的多学科稳健设计优化方法(SSMRDO)。利用最大变差分析法,构建了稳健设计模型,用于不确定性分析;利用集合策略的方法,构建了系统优化模型,用于协调完全自治子系统之间的耦合变量,获得新的设计空间,通过序列优化,得到系统稳健最优解和最优稳健设计空间。搭建了该方法的框架,阐述了该方法的步骤和流程。通过实例,验证了该方法的准确性和有效性。该方法使设计人员从设计变量的广泛设计值开始,逐渐减少集合以获取更多信息,缩减了设计时间,提高了系统的稳健性。随后,采用本文提出的方法分别实现了船舶概念、四辊轧机和空冷电池热管理系统的设计优化。工程实例结果表明,本文所提方法能有效的降低工程产品设计优化中MDO计算的耗时与繁琐,满足现代工程产品设计的要求。最后,总结了全文的主要工作,并展望了未来值得进一步研究的方向。