随着科学技术的不断进步,汽车对发动机的质量、排放、动力、经济等方面的要求不断提高,内燃机逐渐向轻量化、高功率、低排放和低油耗的道路发展,活塞作为内燃机中非常关键的零部件,始终与高温燃气直接接触,承受着非常大的热负荷和机械负荷。较大的负荷容易导致活塞失效,有限元仿真计算活塞温度场和应力场分布是分析活塞失效的主要方式。本论文主要研究工作如下:1、确定活塞顶面边界条件及边界添加方法:利用三维仿真软件converge仿真得到活塞顶面与燃气之间的瞬时对流换热系数和瞬时温度,计算得到燃气综合平均换热系数和平均温度,采用映射的方式将平均换热边界条件加载到活塞顶面。应用傅里叶变换将瞬时边界条件与时间建立周期性的函数关系,然后将边界条件映射到活塞顶面。对理论上可以计算无限循环热载荷的离散数值加载方式进行了详细的理论分析和计算方法推导。2、确定活塞侧面边界条件:对于活塞侧面边界条件采用多层平壁导热公式计算火力岸、环区、裙部的换热系数,环境温度通过实验进行测量获得;对于内冷油腔的换热边界,采用经验公式和仿真并行的方式相互验证,修正内冷油腔的换热边界;对于活塞内腔与油雾的换热关系,通过经验公式计算得到,并根据经验在内腔表面加载不同的换热边界条件。在获得边界条件的基础上对活塞瞬态温度场计算方法进行了详细分析。3、使用Pro/E软件建立详细的三维活塞结构模型,通过有限元软件完成模型的前处理工作。计算了活塞稳态温度场,并根据实验测量验证了仿真模型。通过稳态温度场的计算得到换热边界的热平衡条件。根据稳态的热平衡条件计算了活塞由初始时刻到达到稳定状态所需要的时间,在150s后认为活塞温度场达到稳定状态。根据活塞瞬态温度场计算结果的基础上分别计算了初始时刻和稳定状态下活塞顶面的温度波动情况。4、最后,在活塞稳态和瞬态温度场计算结果的基础上,分别对活塞在热负荷、机械负荷、热机耦合作用下的热变形、热应力、热流量分布进行了详细的分析计算。对于活塞顶面可能出现疲劳损坏的区域进行了疲劳寿命计算。计算结果显示,活塞高温区域集中在活塞头部,初始时刻头部温度波动从7K逐渐减小到稳定状态下温度波动约为5K,活塞在径向和轴向温度梯度都比较大,裙部由于远离高温燃气,所以温度梯度较小。在分析活塞变形时发现,由于热应力的作用活塞头部最大变形量0.59mm,在热力耦合作用下活塞头部最大变形更是达到了0.63mm,大于活塞与缸套的配合间隙,且机械载荷作用对活塞变形的影响不大。活塞耦合应力场的分布规律比较接近活塞的热应力场分布,裙部的应力场始终比较稳定。活塞顶面凹槽边缘疲劳寿命为7.24×10次,小于疲劳极限寿命设计要求,需要对活塞头部凹槽部位进行优化改进。