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随着柴油机持续向高的功率密度方向发展，活塞作为柴油机的心脏，它的工作条件变得更加恶劣，因此活塞需要在材料、结构和工艺上均有所突破。本文针对上述问题，在有限元分析及抗疲劳设计理论的基础上，开展了钢活塞热-结构耦合分析、抗疲劳结构设计及疲劳寿命预测研究，于钢活塞结构抗疲劳的研究部分施展了有效的帮助与更新。本文在建立钢活塞三维几何模型的基础上，利用有限元软件HYPERMESH对钢活塞三维模型进行了几何清理，并确定了网格划分的合理方案，定义了材料属性，确立了热负荷边界条件、机械负荷边界条件、热-结构耦合边界条件，进而运用有限元分析软件ANSYS对模型分别进行了热负荷、机械负荷、热-结构耦合的计算，得到了钢活塞稳态温度场的温度分布云图、温度梯度云图、热流密度云图、热负荷作用下的应力及变形、机械负荷作用下的应力及变形、热-结构耦合作用下的应力及变形，通过建立钢活塞参考点应力及变形柱形图，得出了钢活塞不同负荷作用下的危险点位置，为下一步的抗疲劳结构设计及疲劳寿命预测研究打下了基础。活塞设计上既要保证安全耐久抵抗热负荷和机械负荷，又要力求重量最小。活塞轻量化主要取决于结构形式和尺寸的合理选择,由于正交设计方法可以较少时间算出最优方案，本文抗疲劳结构设计在不对活塞做大的改动条件下，通过对活塞冷却油腔的平均高度、顶部厚度和销座间距三个结构尺寸定义设计变量控制因素，并设定各因素的3个水平值，采用L9（34）正交表安排了9组实验方案进行优化设计，最终确定抗疲劳设计方案，以达到减轻活塞质量、降低危险点应力、提高抗疲劳能力的目的。并根据以上实验结果算出各因素的极差值，构造F统计量，生成正交方差分析表，对各因素效应的显著性作了对比研究，为钢活塞的继续减重、抗疲劳能力的进一步提高提供了参考。通过对结构疲劳分析理论的探索，选取疲劳寿命估算方法中的有限寿命法进行疲劳寿命预测研究，并以基于材料的S-N曲线为准则的名义应力法来进行活塞疲劳寿命的估算。利用疲劳寿命分析软件FE-SAFE，通过输入结构几何特征、疲劳载荷信息、材料疲劳属性三项信息，以求得在额定工况下，抗疲劳结构设计后钢活塞在热负荷、机械负荷、热-结构耦合作用下的疲劳寿命云图，并建立抗疲劳结构设计后钢活塞额定工况下各负荷作用的疲劳寿命柱形图，对钢活塞的疲劳寿命预测研究作了有益的探索。