在解决复杂工程优化设计问题时,常使用计算机仿真模拟技术以获取实验数据,相比于物理实验方法虽然具有更好的可靠性和更小的实验误差,但依然存在成本高、周期长、计算量大等不足。代理模型(Surrogate Models或Metamodels)技术是一种数学近似方法,它可以基于少量点的信息近似模拟出系统自变量与输出响应值之间的关系。与实际物理实验和电脑仿真计算等方法相比,代理模型技术在保持其优点的基础上还能有效缩短设计时间,降低优化设计成本,为系统后续的优化和分析提供更好的基础。目前有数种可实现代理模型技术的软件,但对用户的专业知识和操作技能有着较高的要求。本文基于MATLAB GUIDE开发一种用户友好的代理模型优化设计工具箱(A Surrogate-Based Design and Optimization Toolbox,SBDO工具箱),在集合基本代理模型理论方法的基础上,将工程设计及优化的过程中的试验设计、建立代理模型、预测及优化等步骤集合在一起,降低基于代理模型的工程优化设计方法实现难度,并使用该工具箱对大型矿用机械式挖掘机的铲斗进行结构参数优化。本文的主要研究内容如下:(1)研究各试验设计方法、代理模型理论方法和优化算法的研究现状,将SBDO工具箱的功能界面分为试验设计模块、建立代理模型模块和预测优化分析模块。其中,试验设计模块包含拉丁超立方试验设计、全析因试验设计、Box-Behnken试验设计、中心复合试验设计和正交试验设计方法;建立代理模型模块具有多项式响应面代理模型、径向基函数代理模型、Kriging代理模型、支持向量回归代理模型和扩展自适应混合代理模型;预测优化分析模块具有遗传算法、多目标遗传算法、多变异位自适应遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法和若干极小值最优算法。编写各算法的MATLAB程序。(2)分析对比当前支持代理模型技术的软件功能,以及当前基于MATLAB开发出的用户界面,设计各模块的理论框架和数据逻辑结构,利用GUIDE功能安放控件,编写各模块的操作方案、数据传递、结果显示及评价、错误反馈等功能,针对界面显示效果对界面的颜色、控件方案、数据导入方案、用户提示方案等进行调整和修正,完成整个工具箱的搭建和开发。(3)工具箱搭建完成后,用25个测试函数检验SBDO工具箱的操作简便性,用一个工程实例检测SBDO工具箱的实用性。通过对操作体验和优化结果进行评估,数值算例有效体现出该工具箱的便捷性,工程实例使SBDO的工程实用性得到验证,同时也证明此工具箱的应用有利于代理模型技术的推广,在一定程度上也能更好的促进机械设计优化领域向更简洁高效的方向发展。