随着柴油机经济性要求不断提高,零部件轻量化成为重要实现途径之一。活塞作为柴油机核心运动件,对其开展轻量化设计可有效降低柴油机整机重量,提高柴油机经济性。柴油机功率的不断提高,加剧了活塞热负荷和机械负荷,活塞破坏失效问题日益突出。因此在满足活塞强度前提下,活塞轻量化设计具有明显的科学研究价值。本文采用流固耦合方法,对柴油机活塞温度场、热-机耦合应力场和变形量进行分析。针对某型号船用高功率中速柴油机活塞,开展结构强度分析和轻量化设计研究工作。活塞原型结构强度计算结果表明,该柴油机活塞最高温度位于活塞顶部棱台区域,活塞最大应力位于活塞顶部棱台边缘区域和振荡外腔薄壁区域,活塞最小安全系数为1.75。活塞部分区域应力较小,安全系数较高,可开展活塞轻量化设计。本文轻量化设计包括两个途径:一是优化活塞裙部支撑臂、侧推肩部以及裙摆下侧区域,减薄三个区域壁厚。结果表明活塞减重12%,减重区域应力增大值小于30MPa,活塞应力最大值无明显变化,优化区域最小安全系数为2.4,满足设计要求;二是优化活塞顶振荡腔结构,增大振荡外腔高度并增加内腔上油管角度。结果表明活塞减重1.2%,振荡内腔顶部温度降低36K,火力面中心区域温度降低22K,优化效果显著。基于两种优化方案,对优化活塞进行疲劳校核,结果表明其疲劳寿命满足设计安全系数要求。研究活塞顶壁厚对活塞强度的影响。结果表明,随着活塞顶壁厚增加,活塞顶最高温度升高,最大耦合应力减小,耦合变形增大;活塞顶壁厚变化对活塞顶中心区域热应力、机械应力,活塞顶凹坑区域热应力影响较大,对活塞顶凹坑区域机械应力影响较小。减薄活塞顶中心区域壁厚可有效降低活塞顶温度,增加壁厚可有效提高活塞顶中心区域、凹坑区域强度。