作为发动机“心脏”的活塞,在高温高压的恶劣环境下工作,其结构状况和工作性能将直接影响到发动机的寿命和效率。针对柴油机活塞温度较高所导致的材料机械性能下降问题,采用了在活塞顶面涂覆陶瓷的方法开展了热障陶瓷涂层活塞温度、应力分析的研究;针对活塞质量重而导致惯性力大的问题,采用拓扑优化的方法对活塞进行了轻量化研究,最终解决了活塞温度高、质量大的问题。首先,在Pro/E中建立了活塞的三维模型,通过实验与理论相结合的方法得到了稳态温度场计算的边界条件以及活塞的温度和热应力分布。其次,为了降低活塞基体温度,建立了热障陶瓷涂层活塞三维模型,计算了不同涂层的物性参数,对比分析了Y-PSZ和Mg-PSZ两种不同涂层材料活塞的温度场和应力场,确定Y-PSZ为最终的热障陶瓷涂层。接着,分析了0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm五种不同厚度的Y-PSZ涂层活塞的温度场以及应力场,确定最终的陶瓷涂层厚度为0.4mm。然后,完成了活塞的静力学分析,得到了活塞受机械载荷时的裙部变形,将该变形作为拓扑优化的约束条件建立了活塞轻量化的拓扑优化模型;利用Opti Struct完成了拓扑迭代计算,考虑活塞的装配和生产工艺,得到了拓扑优化后的活塞模型,优化后的活塞质量减轻了8.88%。最后,对拓扑优化的活塞进行了有限元分析,对比优化前后活塞的温度、应力和变形,发现这些特性均没有较大变化,应力仍然在材料屈服强度之内,从而验证了活塞拓扑优化的可行性,为其它活塞的拓扑优化奠定了一定的基础。