活塞组件是往复设备中最典型和最重要的运动部件之一,往复设备缸套/活塞系统的润滑特性直接影响机械设备的滑油消耗量、泄漏量、振动特性、磨损以及摩擦产生的能源消耗率。机械设备良好的摩擦学性能不仅能够有效的降低摩擦损失,延长零部件和设备的使用寿命,还能对设备的振动噪声和有害物排放起到一定的抑制作用。应用表面织构改善活塞/缸套摩擦副的润滑特性是提高其运行可靠性、经济性的有效方法。因此探究表面织构的作用机理与设计规律对往复设备的可靠性与经济性设计具有重要的意义和广阔的应用前景。本文以往复设备活塞/缸套摩擦副为研究对象,以卡特皮勒公司往复式斜盘泵和福特汽车公司发动机为具体载体,建立了动压润滑和混合润滑两种润滑状态下活塞/缸套的润滑模型,综合考虑摩擦副的几何参数、运行工况、表面织构的尺寸、深度、密度、分布、类型等参数,探究了表面织构的作用机理,研究了表面织构对活塞润滑特性的影响,并初步尝试了运用人工智能手段对表面织构设计参数进行优化分析。针对动压润滑状态,以卡特皮勒公司往复式斜盘泵为研究对象,建立了变计算域、移动边界的瞬态动压润滑模型,提出了不同结构的往复式斜盘泵活塞/缸套润滑状态的统一求解方法,通过与文献结果的对比,验证了求解方法的准确性。通过对比两种典型的斜盘泵摩擦学特性,研究了活塞/缸套间隙和缸套长度对活塞/缸套间最小油膜厚度、平均流体压力、流体摩擦力以及活塞倾斜角的影响,研究发现,增大缸套的长度有利于斜盘泵安全稳定的运行,但同时会导致摩擦力和摩擦功损失增大,因此,探究活塞表面织构设计方法来降低摩擦损失十分必要。基于变计算域、移动边界的活塞瞬态润滑模型,通过参数化分析,得到了表面织构的类型、位置、尺寸、深度等因素的对活塞润滑特性的影响,并根据影响规律,对比分析了沟槽和凹坑两种织构的特点,提出了阶梯式多重沟槽设计方案和沟槽凹坑组合设计方案,组合织构设计方案能够较大程度的提高油膜承载能力。相比之下,阶梯式多重沟槽设计方案在降低摩擦力方面略有优势,其最大的特点就是加工容易且精度较高。活塞/缸套摩擦功损失降低了13%左右。针对混合润滑状态,以福特公司内燃机活塞环/缸套为研究对象,根据表形貌的测试数据和材料特性参数,建立了真实形貌参数下的微凸体接触力、接触面积与微凸体间隙之间的对应关系,完善了现有的活塞环/缸套混合润滑模型,得到了活塞环/缸套摩擦学特性。通过与合作单位开展的初期实验研究,初步探讨了活塞环/缸套表面织构的设计方法,其结果表明,表面织构作为改善活塞环/缸套润滑特性的手段,其作用效果取决于设计方案是否合理,设计参数是否优化,因此综合考虑表面织构几何参数、运行工况等,系统的研究活塞环/缸套表面织构设计方法十分重要。基于考虑表面真实粗糙度混合润滑模型,探究了活塞环表面织构作用机理,并分别就活塞环表面织构、缸套表面织构设计方法展开研究,得到了表面织构设计的规律,研究发现,对于表面织构的设计位置,表面织构位于活塞环中部时微凸体承载力急剧下降,油膜厚度减小,故应避免将织构设计到最小油膜厚度附近,当沟槽位于活塞环型线两端时,对活塞环的润滑特性基本没有影响;对于表面织构的深度,活塞环和缸套表面织构的深度都存在最优值,可以使其作用效果最大化,选择合理的设计参数,能够显著地降低摩擦损失。论文提出的表面织构组合设计方案在保证流体承载力不下降的同时,使得活塞环/缸套表面摩擦功损失降低了10%左右。综合考虑摩擦副的几何参数、运行工况,表面织构设计参数时,将引入至少8个自由度,系统复杂程度显著增加,仅仅依靠参数化分析无法找到织构设计的最优解集,也不能满足优化设计的要求。因此,本文最后初步尝试了运用人工智能手段对表面织构设计参数进行优化分析。采用Kriging模型,建立了活塞几何参数、运行工况参数与润滑特性之间的映射关系,并通过与仿真结果对比,验证了模型的准确性。在此基础上,基于往复式斜盘泵变计算域移动边界瞬态动压润滑模型,考虑了活塞的往复运动和旋转运动,建立了不同的沟槽位置、宽度、深度与活塞的最小油膜厚度和最大摩擦力的映射关系。应用上述预测模型,给出了目标函数最优解集下的沟槽设计参数。