本文将仿生非光滑理论与技术引入到发动机活塞的设计当中。针对有仿生非光滑形态与结构的活塞的润滑特点,按照摩擦副间隙存贮的润滑油量的多少,分类设计了干摩擦、混合润滑以及准油膜润滑试验。研究了摩擦副的摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条件之间的关系。对干摩擦试验,选取了合适的接触界面条件,采用广义变分原理,建立了非线性接触力学模型。对活塞缸套摩擦系统进行了三维非线性有限元分析,揭示了非光滑形态与结构对摩擦副接触界面应力的影响规律与机理。对混合润滑试验,建立了贮油结构中润滑油随活塞上下行运动而晃动的数学模型,并通过ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)描述的有限元法,求解了该数学模型,直观地显示了贮油结构中润滑油晃动到缸套内表面的整个过程。对准油膜润滑试验,本文首次将Euler-Lagrange流固耦合数学模型应用到活塞缸套挤压润滑油这一物理现象中,模拟了仿生非光滑活塞挤压与贮存润滑油的整个过程。最后,建立了活塞缸套干摩擦的热应力耦合模型,得出了裙部表面的温度分布云图,同时揭示了活塞表面的磨损失效过程。