活塞作为发动机核心零部件之一,随着发动机性能的不断强化,所承受的热负荷、机械负荷也越来越严重。由于活塞长时间在高热负荷与机械负荷的环境下工作,常常出现顶部烧蚀以及裂纹、环槽及环岸的磨损断裂、销孔开裂等问题,这些问题往往都具有较高的不可测性,一旦出现,将有可能对生产生活造成严重的影响。因此,如何正确的预测活塞的疲劳寿命,保证高强度下活塞的工作可靠性是当下活塞设计中非常重要的一个环节。为此,以一款重型柴油机活塞为研究对象,通过建立三维模型,计算分析了活塞温度场和热应力以及热机耦合应力、变形情况。基于活塞温度场、耦合应力结果,利用疲劳分析软件Fe safe对活塞疲劳寿命进行分析。同时,围绕内冷油腔位置、喉口倒角半径以及销座长度三个活塞结构参数,研究活塞结构参数对活塞温度、耦合应力以及疲劳寿命的影响。最后,通过开展热疲劳试验,对活塞的疲劳可靠性进行了检验,为活塞可靠性以及寿命预测提供试验基础。主要的研究结果如下:(1)活塞稳态下最高温度为359.18℃,位于排气侧的喉口位置,最低温度为131.75℃,位于活塞裙部。在活塞燃烧室内,温度的变化与燃烧室几何结构存在一定的相关性。在一定范围内,调整销座长度对活塞温度场的影响最小,其次是调整喉口倒角半径。调整内冷油腔位置会使得燃烧室中心和内腔顶部分别产生16.32℃、23.47℃的温度变化。(2)活塞整体的热应力分布不均匀,最大热应力出现在第一环槽下表面,为170.47MPa,最小热应力出现在活塞裙部喷油嘴缺口位置,为0.46MPa。活塞耦合应力与热应力的最大值出现在相同位置,对比可知,热应力是导致该位置较大耦合应力产生的主要原因。从活塞耦合变形结果来看,顶部外环区域的耦合变形较为严重,最大变形量为0.58mm。在一定范围内,结构参数的变化对活塞耦合应力的整体分布影响较小。相比改变内冷油腔位置和销座长度,改变活塞喉口倒角半径对活塞耦合应力的影响最小。通过改变内冷油腔的位置和销座长度,会导致活塞最大耦合应力分别产生36MPa、23.1MPa的变化,并且对活塞其他位置的应力也会带来不同程度的影响。(3)活塞疲劳寿命分布与耦合应力分布有高度的相关性,活塞销孔的内上侧区域疲劳寿命偏短。随着表面粗糙度数值的增大,活塞寿命会相应缩短。在一定范围内,结构参数的变化对活塞整体寿命的分布影响较小。相比改变内冷油腔位置和销座长度,改变活塞喉口倒角半径对活塞寿命的影响最小。通过调整内冷油腔位置结构,在内冷油腔底部与活塞顶面位置距离为34mm时,活塞的寿命最长。通过对销座长度进行调整,当长度为95mm时,活塞的寿命最短,当活塞销座长度为97mm时,活塞的寿命最长。(4)热疲劳试验表明,活塞打孔方式以及打孔位置会直接影响活塞热疲劳试验结果。在试验中,同一时刻内活塞顶面不同位置的温度上升情况不同,喉口位置温度上升最快,其次是活塞中心位置,活塞底圈温度上升相对较慢。在接近400℃时,活塞底圈相比喉口位置温差约为20～22℃,活塞中心位置相比喉口位置温差约为17℃。改进打孔方式和位置后,有效避免了钻孔对试验结果的影响,经过5000次试验循环后,活塞顶面未出现裂纹,表明该活塞的材料及结构设计能够满足热疲劳试验考核要求。