活塞作为发动机的“心脏”,是发动机最为关键的零部件之一,其持续高效的稳定工作对整个柴油机的运行起着至关重要的作用。随着柴油机高强化系数、低油耗、重油适用性的要求,对柴油机的性能提出了更高的要求。本论文针对某公司将柴油机原来的整体活塞改为铁裙组合活塞后,活塞的故障率明显上升,接连发生了多起活塞顶开裂的事故,开展了活塞失效分析与结构优化的研究,提高活塞性能的可靠性。本文着重从以下几个方面进行研究:(1)针对某船用中速柴油机失效活塞的开裂,分别从宏观形貌以及微观形貌,尺寸、化学分析、金相检验、力学等方面进行分析;结合了疲劳分析的相关理论,分析了活塞开裂的原因。(2)结合目前国内外对活塞有限元分析的研究情况,选取了适合本课题所研究活塞的边界条件;建立该型活塞组件的三维模型,利用Abaqus有限元技术模拟计算活塞的温度场和应力场分布情况,通过计算得到开裂源头处温度变化幅度最大,且开裂处的综合应力也最大,从而验证失效分析的正确性。(3)活塞结构优化设计。分别采取两种方案:一是通过改进冷却腔的结构,增加冷却降低失效部位的温度从而减少热应力;二是增加热障涂层,利用涂层材料的隔热性能,降低整个活塞顶面的温度。(4)利用Abaqus分析软件,采用优化后的边界条件对两种优化方案进行模拟计算,并与改进前的计算结果进行对比,再结合工艺可行性及经济性等工程化应用情况,确定最优方案。研究工作表明,通过活塞的结构优化,将显著的降低活塞工作时的最大热应力,消除活塞顶开裂隐患。研究成果将为我国开发高性能柴油机提供技术支撑。