热疲劳实验是发动机活塞设计过程中的一个重要环节。现有的活塞热疲劳实验系统不同程度的存在着实验周期长、可控性差等不足。本论文引入高功率Nd-YAG激光器，建立了一套激光加载活塞热疲劳模拟实验系统，应用二元光学变换装置(DOE)在活塞顶面模拟出特定温度梯度的温度场。本论文从实验研究与数值模拟两个方面对激光加载条件下的活塞热疲劳过程进行了深入分析。　　 针对活塞的不同工况条件，开展了高周热疲劳、热冲击和随机热疲劳等多种类型的热疲劳模拟实验，对不同类型实验中的温度波动规律进行了分析，并对控制模式的选择进行了探讨。深入研究了激光能量分布、加载功率、加载周期(升温时间和降温时间)和输出波形等激光加载参数对活塞热疲劳实验的影响，并结合热疲劳相关理论探讨了激光参数对热疲劳寿命影响的规律。累积的大量实验数据为之后的数值模型校核奠定了基础。　　 对应模拟实验环境，建立了活塞的三维有限元模型。基于实验数据对模型中的激光吸收率、对流换热系数和热传导系数进行了校核，校核后的模型的计算结果与实验数据的吻合程度非常高。按照活塞顶面温度场的设计目标，在校核后的有限元模型中反求激光光强的分布，对DOE器件的设计参数进行了优化。比较了不同DOE参数和加载条件下的温度场分布，并进一步分析了不同实验参数下的应力场分布、应力波动规律，最终依据疲劳寿命预测模型对活塞各部位的疲劳寿命进行了预测。　　 研究表明，本实验系统具有实验周期短、可控性强等优点；基于数值模拟反求激光光强分布的方法为DOE设计提供了一个有效途径，节约了设计成本；获得的疲劳寿命预测值为活塞设计提供了参考。