1、课题研究的背景与意义
活塞式内燃机从19世纪60年代问世以来，经过不断的发展和改进，目前在实际工程当中得到了广泛应用。而作为内燃机的主要承压和运动件，活塞的性能分析值得重点关注。随着国家对环境问题和发动机排放量的日益重视，发动机的工作强度和效率不断增大，活塞的工作环境也日益恶劣。在发动机运行过程中燃油在燃烧室会产生很高的温度，最高可以达到1000℃以上。同时由于散热条件有限，活塞部件在整体的运行中承受的热负载较高，受热不均匀。此外活塞还要受到螺栓装配条件下预紧力、燃油燃烧产生的燃气压力、气缸对活塞的侧向力和摩擦力和活塞在往复运动过程中的惯性力的影响。在机械应力和热应力双重作用条件下，活塞的使用寿命会受到严重的影响，可能出现活塞出现裂纹或活塞环卡死的现象，进而导致发动机乃至整车使用寿命下降。
目前在实际工程当中，对于活塞的疲劳失效现象，还没有一种系统的试验设备可以对活塞同时进行机械载荷以及热载荷的模拟加载，相关试验往往只针对其中一种载荷进行加载分析。基于此研究现状，本课题拟采用数值仿真技术，对给定的某款汽油机活塞在额定工况下的热-机耦合疲劳现象进行分析，确定活塞在该工况下的疲劳安全特性，为该类零部件的设计制作提供一定的理论依据与参考。
2、国内外活塞热-机耦合研究现状
现如今许多工程师和学者都十分重视活塞的热-机耦合研究，通过有限元法对活塞的工作情况进行模拟，得到应力应变图，进行疲劳分析，从而找出容易发生失效的部位，对活塞进行结构优化，降低试验成本，缩短设计周期，提高设计效率。
杨业，倪培永,戴峰等[1]以186F柴油机活塞为研究对象，使用Pro/E软件进行建模，随后将模型导入ANSYS中进行网格划分，对活塞顶和火力岸等关键部位进行局部网格细分，对其他不重要的部位进行粗略的划分。通过公式计算出机械载荷和热负荷，与试验结果进行对比，对有限元模型施加边界和约束条件，通过施加压力和温度得到结果并进行分析，分别得到了热负荷、机械负荷和热-机耦合条件下的应力与变形结果，得出了结论。
苌转，初韶群[2]基于ANSYS软件平台，利用有限元法对495ZQ柴油机缩口型活塞进行强度研究。利用CATIA进行建模，由于活塞中心对称，取作为分析对象导入ANSYS进行网格划分。选取额定工况缸内最高温度时刻进行研究，通过GT-Power软件仿真得到活塞顶部温度和换热系数，其余部分数值由公式得出。得到温度场结果后进行结构优化，随后再加机械载荷进行耦合分析，得出结果。
陈洋，何畏,贺军超等[3]以CNG发动机为研究对象，根据其他学者的研究了解到活塞销座是最容易失效的部位，所以在活塞销座上加上弧面衬套来改善销座的工作环境，延长活塞使用寿命。建立了弧面衬套的运动分析方程并确定了装配条件。用的活塞模型进行有限元分析，得到了新型活塞的机械载荷、热载荷和热-机耦合下的应力云图。
牛小强，雷基林,邓晰文等[4]以一款非道路高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象，在柴油机标定工况和最大转矩工况下进行测试，在活塞各个部位布置测点测量在最大转矩工况下的温度场分布，随后建立有限元模型，根据各个部位换热系数和温度确定边界条件，进行热负荷分析，随后加入机械载荷进行热-机耦合分析。
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