当前工程产品的设计系统趋向为包含多目标、多学科的复杂优化问题,并且各个学科之间往往相互影响、相互耦合。为了能更好地获得产品综合性能最佳的设计方案,多学科设计优化(MDO)方法应运而生并成为国内外研究热点。其中,如何高效地协调处理学科间耦合效应、降低优化过程中所耗费的大量计算成本,成为了 MDO方法能否有效应用于实际工程产品设计中的两个关键因素。针对这两大问题,本文将从MDO优化方法的理论研究入手,着重对协同优化方法进行改进研究,改善了 CO方法的收敛性能。同时结合Kriging近似模型简化替代复杂函数关系,有效降低了协同优化的分析计算复杂性。首先,针对协同优化方法采用二次结构形式的一致性约束所造成计算收敛困难或易陷入局部收敛的问题,提出了改良协同优化方法(MCO)。MCO方法首先将设计变量分解为系统级设计变量以及子系统级局部设计变量,再对系统级目标函数进行一阶泰勒级数展开,寻找到了可以表示子系统关于系统级目标函数的总体影响因子表达式,并以此作为子系统级目标函数,取代原先的一致性等式约束,避免了收敛困难的问题。将经典耦合函数作为算例对MCO方法与标准CO方法进行了比较测试,优化结果显示了改良协同优化方法良好的优化稳定性与高效性。其次,本文提出了融合全局逼近与局部精化的协同优化方法(FCO),该方法具有全局逼近寻优阶段和局部精确寻优阶段的双阶段特性。通过几何分析方法,探讨了动态松弛变量法与固定松弛变量法各自的特性。将动态松弛变量法应用于全局逼近寻优阶段中,并选用粒子群优化算法(PSO),保证了优化过程获得足够的系统可行解,解决了 CO方法优化结果对于初始点的选取较为敏感的问题。局部精确寻优阶段采用较小的固定松弛因子,序列二次规划法(NLPQL)作为其优化算法,快速精确地收敛到全局最优解处。通过齿轮减速器的测试算例,验证了FCO方法的优化稳定性和精确性。然后,将基于优化拉丁超立方试验设计方法的Kriging近似模型应用到融合全局逼近与局部精化的协同优化方法中。简化了其子系统分析模型,从而提高优化效率,降低计算成本。仍然采取齿轮减速器的例子,比较了结合Kriging近似模型前后,FCO方法的优化效率得到了较大的提升。最后,分别使用MCO方法对船舶尺寸设计实例,以及使用基于Kriging近似模型的FCO方法对盘式制动器设计实例进行了应用验证。结果表明,本文所提出的两种方法能有效协调组织学科间耦合效应,降低了多学科设计优化方法的计算成本,并能成功应用于实际工程产品设计中。