活塞是发动机的核心零部件之一，其工作好坏直接关系到发动机的整体性能及工作可靠性，因此越来越多的研究人员致力于活塞的设计与改进。活塞同时承载着机械负荷和热负荷，而由热负荷带来的疲劳破坏往往是其工作失效的主要原因。为了研究热负荷单独作用下的活塞失效问题，模拟活塞在发动机中的瞬态温度场，本文进行了活塞热疲劳实验仿真的探讨，设计了以大功率激光器为加热热源的热疲劳仿真实验室，通过光学元件DOE将激光光束整形成三个同心圆环，作用于活塞顶面，不同圆环内的加热功率独立可调；设计了以空气压缩机、出口喷管为核心的风冷系统和以水泵、出水管为核心的水冷系统，分别对活塞顶面和活塞内腔进行冷却，气路和水路均由电磁阀控制，通过激光和冷却的配合在活塞上实现低周、高周热疲劳，以检测活塞热疲劳强度；设计了基于组态王Kingview的监测控制系统，以电脑为上位机，RS-485串口为通讯接口，PLC、单片机为底层控制器，分别控制激光器和冷却系统，完成加热和冷却的协同工作；设计了基于红外测温仪、热电偶和CCD相机的测量系统，实时监测试验对象的温度场和裂纹萌生及扩张情况。本仿真实验室同样适用于缸盖，气缸套和气门等燃烧室零部件的热负荷研究。通过设定不同的热疲劳试验规范，在上位机的监控系统中改变加热、冷却系统的输出功率和作用时间，从而评价不同零部件的热疲劳强度。