随着内燃机向高强度与高功率方向的发展以及热障涂层技术在航空航天工业的成功应用,尤其是“低散热内燃机”（LHRE,Low Heat Rejection Engine）概念的提出,热障涂层在往复式内燃机上的应用迅速成为了研究的热点,并聚焦于利用涂层提高内燃机使用寿命和热效率。基于ZrO2的绝热陶瓷材料在内燃机上的应用也得到了发展。因其具有优良的相稳定性以及等离子喷涂所得到的高孔隙率和低导热率,6%-8%体积分数的氧化钇稳定氧化锆得到了广泛的应用。尽管热障涂层在降低内燃机热负荷与提升内燃机性能方面具有巨大潜力,然而涂层与基体材料之间热膨胀系数的差异以及涂层内部由于温度梯度而导致的热应力是涂层剥落失效的重要因素。因此,8YSZ热障涂层的使用需要经过实验和分析以确保其可靠性。本文用AVL-Boost软件根据内燃机台架实验数据建立内燃机活塞的一维仿真模型以进一步研究内燃机的工作循环特性。一维仿真的计算结果被用于估算活塞换热的边界条件。在ANSYS软件中建立了活塞的有限元模型以获得活塞在某个给定边界条件下的温度场。训练一个神经网络并由活塞的温度场预测活塞的边界条件。利用硬度塞测量活塞在内燃机中的温度。通过活塞的温度场确定活塞的热边界条件被归类为传热学反问题。在传热学反问题中,基于有限元的活塞正向模型,与活塞的温度场比较以确定活塞的边界条件。训练好的神经网络可以用来替代活塞的有限元模型,并预测在某个温度场下活塞的边界条件。在神经网络拟合得到的边界条件下进行有限元仿真,得到的活塞温度场与温度场实验结果的误差在1.5%以内。有限元分析的结果表明,活塞的最高温度位于活塞的喉口,应力主要分布于活塞第一道环槽,这是铝合金活塞与铸铁镶圈在热膨胀系数上的差异造成的。由于活塞不均衡的温度分布,活塞头部发生比较明显的变形。本文在多层平壁导热模型的基础上,将用于计算活塞边界条件的神经网络算法推广至热障涂层活塞边界条件的计算中。本文研究不同结构的Mo/8YSZ在改善活塞热负荷和提高内燃机性能方面的作用,研究发现双层热障涂层能够显著提高活塞上表面的温度,从而提升内燃机的做功能力。功能梯度热障涂层对提升内燃机工作能力的作用没有双层结构涂层活塞明显。梯度指数为0.4的功能梯度涂层能够获得最好的力学性能。