随着海洋探索和资源开发的深入,海洋航行器面临的海洋环境更为复杂,这对海洋航行器螺旋桨设计也提出了更高的要求。复合材料和优化方法在海洋航行器中的广泛应用,为螺旋桨综合性能的提升提供了新的可能和方向。为了设计出综合性能更高的复合材料螺旋桨,本文提出了一种复合材料螺旋桨结构和水弹性一体化优化设计方法。该方法同时考虑了结构参数和外形参数对复合材料螺旋桨推进性能和振动性能的影响,利用代理模型的精确预测能力,规避了优化设计过程中对流固耦合计算的多次迭代,节省了计算时间和计算资源,实现了复合材料螺旋桨一体化自动化流程。在研究过程中,主要取得了以下几个方面的成果。（1）分别建立了复合材料螺旋桨外形和结构参数化模型。为了保证设计过程的可靠性,造型和加工过程的精确性,以及优化过程的可控性,在传统螺旋桨外形建模方法的基础上进行整合,引入基于非均匀B样条的表达方法,实现了复合材料螺旋桨主要参数的样条化,在保证外形精度的前提下,不但减少了外形设计变量的数目,而且提高了光顺性和参数可控性;以层合实体单元建立了复合材料螺旋桨叶片有限元模型,实现了工程中高度扭曲复合材料螺旋桨叶片的结构铺层建模,保证了结构建模的高效性和自动化可实现性。（2）建立了适用于复合材料螺旋桨水弹性问题的流固耦合数值计算方法,讨论了该方法中网格、湍流模型以及附加质量效应等不确定性影响,并通过工程算例验证了方法的可靠性。研究了基于粘流与有限元的流固耦合方法,该方法考虑了流体粘性,对螺旋桨水动力负载预测更贴合实际;在求解水弹性非稳态响应时,能较为完善的考虑由于湍流压力波动、流动分离、涡耗散等所产生的非定常压力波动对复合材料螺旋桨激振力和结构振动的影响。为了保证数值方法的可靠性,分别从网格无关性、湍流模型不确定性和附加质量效应等方面,分析了上述流固耦合方法的不确定性,提出了复合材料螺旋桨CFD/FEM流固耦合方法的稳健性设置条件。使用工程算例,从稳态和非稳态响应角度分析了复合材料螺旋桨水弹性特点,并验证了方法的可靠性。（3）提出了基于径向基代理模型的多目标优化算法（RBFMO）,建立了考虑振动性能的复合材料铺层优化设计模型。针对工程中的贵重黑箱问题,利用径向基函数建立代理模型,在此基础上,采用多目标遗传算法同时对多个目标寻优。此外,在每次迭代过程中增加新的样本点并更新代理模型,进一步加强RBF代理模型的预测精度。相比传统优化设计方法,该方法的优势在于,规避了优化设计中对流固耦合计算的多次调用,节省了计算资源和计算时间。除了使用数学算例对RBFMO方法进行了验证外,针对考虑振动性能的复合材料铺层多目标优化设计问题,使用RBFMO对铺层角进行了优化,得到了良好的优化设计结果。（4）采用RBFMO方法,建立了复合材料螺旋桨结构和水弹性一体化多目标优化设计模型,并基于模块化设计思想实现了优化设计自动化流程的框架,通过工程算例验证了优化设计模型及自动化流程的可行性,。从能源利用和减振降噪两个角度出发,同时将结构振动和考虑水弹性下的推进性能作为目标。通过建立结构和外形一体化的参数空间,同时考虑了铺层角度和外形参数对复合材料螺旋桨综合性能的影响。采用模块化设计思想,搭建了优化设计自动化流程,考虑了容错、存储、数据结构和程序执行效率等问题,实现了流程的稳健、高效、自动化执行。通过具体工程算例,验证了一体化设计方法的可行性,并得到了良好的设计结果。