本文系统开展了稳健性优化设计理论与方法研究,并将其应用于固体发动机优化设计。阐述了稳健性优化设计基本概念和基本原理,提出了稳健性优化设计实现流程和理论框架,深入研究了稳健性优化设计过程中的响应面建模、全局灵敏度分析、稳健性分析、多目标优化求解和基于响应面模型的序贯优化等关键技术问题。对多种响应面拟合方法进行了详尽分析,并通过测试函数比较了各种响应面拟合方法的拟合精度和拟合效率,得到不同响应面拟合方法的适用性。在此基础上,深入研究了序贯响应面建模方法及其再采样策略,实现了响应面建模计算成本与模型拟合精度间的折衷。给出了张量积函数的定义,分析了张量积函数易于概率积分的特性。基于该特性研究高效的稳健性分析方法和全局灵敏度分析方法,解决了稳健性优化设计过程中反复进行稳健性分析的计算复杂性问题和变量筛选效率低的问题。研究了基于物理规划的多目标优化模型构造方法,从而方便、直观地表达设计偏好。从初始种群确定和选择策略两方面改进了一般遗传算法,得到了适用于求解多目标优化问题的优化算法。研究了基于Pareto灵敏度的Pareto前沿搜索方法和Pareto解比较分析方法,为设计人员提供直观地设计方案选择方法。研究了基于响应面模型的序贯单目标优化方法的实现流程、设计空间更新方法和响应面模型改进方法。在此基础上,研究提出了序贯多目标优化方法的设计空间更新方法和响应面模型改进方法,保证了基于响应面模型优化设计结果的准确性,并提高了基于响应面模型优化设计结果的收敛速度。最后,在前述设计理论与方法研究的基础上,结合跨大气层飞行器固体助推发动机优化设计实例,建立了固体火箭发动机稳健性优化设计模型,并通过稳健性优化设计方法得到了一组稳健最优解。通过稳健性优化设计结果与传统优化设计结果的比较分析,验证了稳健性优化设计方法的科学性和有效性。