基于可靠性的设计优化在保证产品满足安全指标的前提下,针对产品的体积、质量、刚度等特性参数进行设计优化。它充分考虑了产品设计过程中不确定性因素对产品性能的影响,并合理权衡产品功能特性和产品可靠度之间的关系。随着人们对现代产品质量要求的不断提升,产品的设计已经不仅仅限于满足性能要求,基于可靠性的设计优化已经成为飞机、运载火箭、高精密机床、船舶等复杂产品的设计保证手段,更是提升国家国防实力和综合设计科技水平的强有力推进剂。虽然国内外都在积极开展这方面的实际工程应用研究,但基于可靠性的设计优化仍然存在诸多问题,如可靠性分析与优化双循环模型定量解耦问题,复杂产品可靠性设计的偏移向量优化问题,可靠性设计优化中多设计点模型求解问题,可靠性设计优化高效抽样问题等。本文围绕上述问题开展深入系统的研究,力求将可靠性设计优化更有成效地运用于复杂机械产品的设计当中。本文针对传统可靠性理论存在的解耦过程效率低下,求解结果缺乏精度,且无法适应多设计点等问题进行深入地分析,提出一系列解决方法；同时将针对可靠性设计优化方法在工程应用当中存在的计算成本较高的问题,研究基于克里金模型的序列抽样方法,并提出适应于工程应用的可靠性设计优化的高效抽样方法。本文主要工作如下：(1)可靠性分析与优化双循环模型自适应解耦方法。传统可靠性设计优化方法的双循环嵌套结构具有计算效率低下等缺点,而解耦方法是提高计算效率的有效手段。它将可靠性分析和设计优化两个循环相互耦合,序列进行；然而在可靠性分析环节以及设计优化环节,如何构建解耦模型,将直接影响可靠性设计优化的求解精度和计算效率。本文提出快速进行概率约束可行性检查的活动约束集方法,针对不同可行状态的概率约束自适应地选择不同求解精度的可靠性分析方法,从而有效地提高可靠性设计优化解耦方法的求解效率。(2)针对可靠性设计优化的偏移向量优化方法。偏移向量的精度将直接影响解耦方法求解的效果,因而它在可靠性设计优化解耦方法中起着至关重要的作用。本文针对传统方法所求解的偏移向量精度低下的问题进行研究,提出新的可靠性分析模型。该模型利用概率约束的极限状态方程求解最大可能失效点,即便是对于高度非线性的概率约束问题也可以求解出高精度的偏移向量,从而保证了整个可靠性设计优化的精度,并加快了迭代收敛的速度,降低了计算成本。(3)可靠性设计优化中多设计点模型的求解方法。传统的可靠性分析方法和解耦方法都假定单一概率约束只存在一个最大可能失效点,而在工程实际当中概率约束同时出现多个最大可能失效点的情况是很常见的。比如设计空间属于狭长区域,或者随机变量的方差较大等情况都会造成多个最大可能失效点的存在。本文依据可靠性优化过程中不同迭代循环中所获得的设计点的轨迹进行分析,从而有效地识别出概率约束所具有的设计点的数量；同时本文从可靠度指标的定义出发,将该类概率约束看作为设计点相同数量个约束,从而保证了可靠性设计优化求解结果的可行性。(4)基于克里金近似模型的可靠性设计优化局部自适应抽样方法。基于替代模型的可靠性设计优化是目前基于不确定性的工程设计方法发展的必然趋势,尤其是克里金模型因其独特的性能而得到学者们的广泛认可。序列抽样技术能够极大地提高近似模型拟合的效率,从而降低整个可靠性设计优化的计算成本。本文利用局部抽样窗口的思想,首先将局部抽样窗口选取在当前优化解附近,然后在局部窗口内优先对极限状态边界进行拟合；从而有效地提高了序列抽样的效率。(5)基于显式目标函数的可靠性设计优化重要边界抽样方法。基于克里金模型的可靠性设计优化方法的计算效率与克里金模型拟合样本点位置的选取有直接关系,因而如何制定抽样过程非常重要。本文将深入研究具有显式目标函数特点的可靠性设计优化问题,对可靠性设计优化不同阶段提出两种不同的重要抽样准则,从而有效地提高该类问题的求解效率。(6)本文依据现有的研究基础,探讨了今后研究工作的重点,如基于小样本的可靠性设计优化问题,时变可靠性设计优化问题,高效高精度可靠性分析方法等。