随着智能水下机器人功能的不断扩充、地位的不断提升和完成任务的不同，对其可靠性要求越来越高。但是由于海洋环境本身的复杂性，对其进行较精确仿真是一项困难的工作。智能水下机器人仿真系统中的模型计算复杂度较高，需要动态更新仿真行为序列，但是已有的水下机器人协同仿真系统没有考虑模型的重用性和可组合性，并且大多仿真组合方法缺乏在组合过程中对动态行为的考察和验证。从而导致现有的水下机器人协同仿真系统存在仿真模型开发时间长，没有符合实际的模型描述方法，多种模型之间的行为兼容性难以验证，运动仿真模型仿真精度无法满足要求等问题。本文针对水下机器人仿真的实际应用，以行为组合验证为目标，研究协同仿真系统的框架、模型的形式化描述方法、模型组合和验证方法。本文首先给出水下机器人系统仿真平台的开发过程，并以此为基础给出了基于模型组合的水下机器人协同仿真系统框架，可重用的仿真模型成为了构建系统的基石。其次，为了保证基于行为的模型组合的正确性，结合本文的仿真框架，给出了协同仿真模型基于行为的形式化描述方法，完成了基于行为的协同仿真模型由非形式化转化到形式化的描述。然后引入Pi演算理论，针对系统的时序性及面向对象概念对Pi演算进行扩充，给出了改进的Pi演算对仿真模型组合行为交互过程的描述，进而提出了基于改进的Pi演算理论的水下机器人协同仿真模型组合方法，完成了仿真中模型行为可组合性的验证。最后，用移动工作台MWB对本文提出的组合方法进行了推演验证，并用该组合方法构建了AUV系统的仿真实验，证明了该行为可组合性判定方法的有效性。