内燃机活塞的工作环境恶劣,需要承受交变高强度机械载荷和热载荷。热障涂层(TBC)活塞综合利用多相材料的优点,为提高内燃机的寿命和可靠性提供良好的技术支撑。为了制造满足技术要求的TBC活塞,在设计阶段需要准确预估其热力性能。建立适用于TBC活塞热力性能研究的数值方法,为新型活塞提供性能预测工具具有重要工程意义。TBC活塞几何形状复杂、材料属性空间变化,因此采用的研究方法需要具备处理任意非结构网格和复合材料的能力,同时需要兼顾计算精度和计算消耗。考虑到有限体积法(FVM)对非结构网格的适用性和对固体力学问题的实用性,本文以FVM为基本算法建立适用于TBC活塞热力性能预测的数值方法。针对TBC结构热应力问题,建立两套数值方法,即格心型有限体积法(CC-FVM)和格点型有限体积法(CV-FVM)。准确求解TBC热应力问题,需要将物性参数的空间变化引入离散过程。为此,本文CC-FVM采用中心差分方法计算离散方程中涉及的面单元上的物理量,从而在离散方程中体现物性参数的变化;本文CV-FVM采用交错网格技术,将待解变量和物性参数定义在不同的空间位置,从而在控制体单元中体现物性参数的变化。评价两种方法的数值性能和对复合材料的适用性。结果表明,CC-FVM的计算精度和代数精度低于CV-FVM,内存消耗少于CV-FVM,计算效率低于CV-FVM,尤其对于非结构网格CC-FVM收敛缓慢甚至发散;修改CC-FVM离散方程的形式,能提高其收敛速度,但不能避免计算非结构网格问题时的发散问题;针对功能梯度材料(FGM)问题,CC-FVM和CV-FVM都能有效避免材料属性空间变化引起的数值不连续;针对层合材料问题,CC-FVM计算得到的材料分界面应力存在数值波动,而CV-FVM计算结果与理论解吻合良好;与现有复合材料热应力数值分析方法对比,CV-FVM比有限体积理论(FVT)需要的计算量和内存少,比梯度有限元方法(FEM)具有更广泛的适用性,不受载荷和材料变化方向的限制。扩展CV-FVM的应用范围,针对温度非线性问题建立CV-FVM求解流程,针对非均质问题给出材料颗粒随机分布的实现方法。采用CV-FVM数值模拟不同形式TBC热应力场,分析温度非线性、材料分界面形貌、FGM形式和材料非均质等对TBC热力性能的影响,验证CV-FVM对复杂TBC热应力问题的适用性。采用CV-FVM数值模拟不同活塞热应力场,对比分析TBC活塞与普通活塞的热力性能,结果表明TBC的使用能够减小活塞的变形,增加活塞表面温度,降低活塞环槽区域的应力水平,但是在TBC区域存在应力集中。分析TBC材料分布、TBC涂覆形式对热载荷和热机耦合作用下活塞热力性能的影响,结果表明TBC活塞的最大应力出现在TBC粘结层和陶瓷层或混合层的分界面上,主要是由热载荷和材料属性不匹配引起,活塞变形受机械载荷影响较小。CV-FVM可以作为TBC活塞热力性能数值预测的工具。