本文包括下述主要工作和结论:(1)通过分析产品开发模式和VPD的核心功能,提出了VPD框架体系和构成要素.在基于虚拟总线的虚拟制造体系结构下,归纳出"三核心四层次"的虚拟产品设计模式.指出了目前建模、仿真、优化和集成技术对VPD支持的不足点和下一步拓展方向,从而为VPD关键支撑技术研究的范围和方向提供了较为全面的参考.在VPD框架和虚拟现实环境在界面层的关联方面,首次提出了一种新型的VR环境中产品功能行为仿真引擎的建立模式,即从现有CAX平台获得虚拟产品各要素间的映射关系作为标准仿真引擎的输入,解决VR环境中对产品功能行为进行驾驭仿真时的实时性问题.(2)提出采用全息产品建模方法来支持VPD,即在产品建模过程中不仅关注产品定义数据,还包括产品相应工作环境的描述及两者之间作用关系的描述.对全息产品建模方法的原理、特点和支撑技术进行阐述,详细研究了该方法 "三要素" 的内涵和形式化表达方法.该方法构成了虚拟产品仿真设计的基础.通过汽车空调系统对该方法的实施进行了具体的讨论,推导了压缩机斜盘倾角与产品和工作环境的联系. (3)提出利用统计技术来洞察隐藏在仿真背后的设计规律,从而预测系统行为和灵敏度,最后将统计和优化技术结合求解系统最优决策变量.给出了基于仿真元模型的虚拟产品设计优化流程.详细研究了各种试验设计方案和两种统计回归模型,通过具体的工程问题比较不同方法的拟合精度、优化效果、设计效率和潜在的误差形式,为设计人员对方法的选取提供参考,并推荐采用均匀设计结合克里格模型的组合方法.在标准试验设计的基础上提出了面向不同目的(模型精度和优化精度)的启发式采样策略作为标准试验设计方法的补充,即通过选择设计空间局部加密采样来获得更高的模型拟合和优化精度.(4)总结了VPD中潜在的不确定性根源,研究了仿真模型不确定性的建模方法,包括灵敏度方法和统计方法.对各种不确定建模方法作了计算比较,发现阶矩法的适用范围有限,最坏情况分析法虽保守,却能最大程度的反映不确定性的效果.在实际计算中,应根据具体模型选取适当的计算方法,推荐采用元模型与蒙特卡罗的组合方法.通过对仿真链的层次和产品开发过程中决策方式进行分析,提出直接利用获得的设计规律求解多目标优化问题的Pareto前沿.总结三种情形研究不确定性的管理和消解,即非合作决策、顺序决策和合作决策.在不同的决策方式假设下,综合稳健设计的哲理和工程随机变量优化设计算法,分别提出了不确定消解的对策.(5)进行虚拟产品开发及其关键技术的工程应用研究.在汽车空调压缩机仿真中,详细研究了在全息建模方法指导下,压缩机的动力仿真过程及结果;以复合材料结构为例,研究了利用仿真元模型去替代复杂的仿真代码,实现了复合材料结构的物理参数识别和优化设计过程,采用基于稳健设计的合作决策分析了如何消解仿真设计中的不确定性;首次将仿真元模型作为连接虚拟现实环境和CAE仿真分析的桥梁,在虚拟现实环境中实践了产品设计过程的实时仿真分析.(6)为完善基于仿真的虚拟产品设计环境指出了下一步的研究目标和方法.