作为船用柴油机的关键零部件,活塞在发动机运行过程中受力复杂,同时又承受高温环境的影响,在长时间工作过程中,常导致活塞销座产生裂纹、活塞烧顶及拉缸结胶等失效情况。活塞的疲劳可靠性直接关系到柴油机的工作可靠性,因此对活塞进行疲劳损伤分析和疲劳试验是十分必要的。在综合分析国内外对活塞热机耦合分析方法、相关疲劳试验及理论的基础上,首先以活塞热机耦合分析技术为研究切入点,建立活塞传热分析理论模型及应力场理论分析模型,进而建立活塞热弹性有限元分析模型,利用前处理软件对活塞各部位进行网格划分,为后续仿真分析提供理论基础及模型基础。仿真的可靠性离不开关键数据的支撑。首先利用GT-Power建立缸内燃烧模型,得出柴油机缸内燃烧室温度及压力随转角的变化情况,从而确定缸内最大燃烧压力及平均温度。其次通过经验公式计算得出活塞顶面、侧面、振荡冷却腔和活塞裙换热系数,通过ABAQUS模拟得出活塞温度场分布情况。然后对活塞进行运动特性分析,得出活塞在标况下运行所受到的惯性力及螺栓预紧力,模拟得出活塞应力场分布结果。最后根据温度场和应力场结果,通过设定载荷分析步进行顺序耦合获得活塞热机耦合仿真结果。对于活塞疲劳性能的分析,则利用FEMFAT软件得到活塞头和活塞裙安全系数分布,分析活塞头及活塞裙关键受力区域;对材料S-N曲线和平均应力进行修正,利用Miner准则预测得到活塞在各工况下的疲劳寿命。利用Aeran理论考虑载荷间相互作用影响,得到活塞在不同工况下疲劳失效前的损伤演化曲线,并与Miner准则进行对比分析。利用仿真计算结果,结合加速试验理论模型,通过Matlab拟合分析得到活塞在机械负荷、热负荷以及热机耦合工况下的加速寿命曲线,得到载荷与寿命之间的函数关系。在加速模型中以逆幂律模型为基础,制定活塞机械应力加速寿命试验方案。通过搭建活塞机械疲劳试验台,制定配套的活塞机械疲劳试验夹具、液压系统、控制系统及软件平台,在夹具上下压力腔中产生一路高压一路低压的相位差为180°的正弦压力,模拟活塞在缸内所受机械负荷,并通过疲劳试验来对比试验活塞的裂纹状况与仿真预测的裂纹状况来验证机械疲劳试验台是否满足设计要求功能。