内燃机车作为我国高原、西部铁路运输的主型力量及国家重要的战略储备资源,其牵引用柴油机的开发至关重要。活塞作为柴油机核心部件,必须通过合理的结构设计、精密的仿真计算及试验考核来保证装用柴油机后的运用可靠性。本文通过对国内、外机车中速柴油机技术水平及活塞技术发展趋势的分析,选用了成熟可靠的钢顶铝裙组合式结构活塞,进行了详细的三维结构设计及静态匹配设计,建立了准确的三维模型。研究了三维有限元分析对零部件温度场和应力场分析的基本理论,建立了组合活塞三维计算分析模型,施加了边界条件和约束载荷。本文有限元计算围绕活塞温度场、应力场及变形的分布进行分析,研究了活塞各种载荷如装配载荷、燃烧气体力载荷、惯性力载荷等作用下活塞工作状态。研究了活塞各部件常温及高温疲劳性能,利用Smith图评估了活塞顶面、内冷却面、环槽及活塞裙销孔的静态和动态安全系数。通过对R12V280ZJ型柴油机组合活塞的疲劳评估分析,提出了可行的结构设计优化改进方案。对优化改进后的组合活塞进行了温度场测试分析,掌握了该型活塞真实的热负荷条件,验证了活塞温度场计算的准确性,校正了分析模型。组合活塞随柴油机整机通过了UIC性能及可靠性试验、热冲击试验、超转速及超负荷可靠性试验,结果良好,未发现裂纹及严重磨损现象。R12V280ZJ型柴油机组合活塞成功的开发提供了一定的理论及试验依据,为同类型大功率产品开发提供了帮助和参考。