随着经济高速发展,人类面临着能源紧缺和环境污染的双重压力。能量优化设计研究从产品设计源头出发,将节能降耗作为重点,综合考虑产品的能量特性与其它相关设计信息,成为提高能源利用率的最优方法。在国家自然科学基金课题(编号：50775061)的支持下,论文对能量优化设计方法和理论进行了深入研究。本文将公理设计与设计元融合在一起,将设计域之间的映射与能量效用模型用设计元封装起来,创造性的建立了能量优化设计模型。该模型统一了各设计阶段的设计信息和能量信息的描述形式,将功能设计过程和能量信息有机结合起来,有效地实现了能量优化的设计目标。以能量为设计主线,创建了基于设计元的能量优化设计方法。提出了由逆向、正向能量设计两部分组成的设计过程模型。通过逆向能量设计得到产品级别的能量效用模型以及能量优化信息；正向能量设计在两者的约束与指导下,由设计元分解过程模型描述设计进程,将产品功能逐渐细化,继而通过方案组合、能量优化、方案决策得到产品最优设计方案。该设计方法包含了一个创新性的理念,即由能量效用模型来描述功能实现过程中的能量属性,使功能与能量特性得以兼顾,实现正向能量设计和逆向能量设计间的有机联系。针对能量效用模型的主要组成元素——能量设计因子EDF (Energy Design Factor),建立了EDF的效用过程模型,深入研究了EDF的提取方法、EDF的耦合分解方法、EDF的能耗影响程度量化方法。探索了融合耦合度、信息量、能耗、技术、成本与社会指标在内的能量优化设计方案多属性决策方法。研究了评价指标组成及权重定义方法；并提出了借助能量效用模型来间接评价产品能耗的思想。全篇以数控机床为例,对基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法进行了实例研究,验证了能量优化设计方法的有效性。