流固耦合与形变破坏是电影特效与电子游戏中常见的自然现象,如何针对上述现象生成高真实感、交互性、实时性的计算机动画,一直是计算机图形学领域的研究热点。基于物理的仿真算法利用现象背后的物理机制,可以得到真实感的仿真效果,因而在动画仿真领域受到广泛关注。但是,在处理复杂材料(如各向异性材料、多孔介质)与耦合现象时,基于物理的仿真算法面临模型复杂度高、系统鲁棒性差、交互困难、计算耗时等问题,对流固耦合与形变破坏现象的仿真提出了极大的挑战。本文针对上述困难,深入探寻流固耦合与形变破坏现象背后复杂的运动模型与耦合作用的物理原理,对于典型的自然现象,提出了一系列基于物理的流固耦合与形变破坏真实感仿真算法。本文的主要工作包括:·提出了一种基于粒子有限元方法的多孔介质渗流-结构耦合现象仿真算法。针对传统有限元方法在处理大形变时数值不稳定的问题,该方法采用光滑粒子流体动力学模型追踪自由移动粒子,以生成粒子有限元网格计算控制方程,保证了仿真算法的鲁棒性。该算法通过链接信息与自适应Alpha Shape进行快速表面重建,可以同时处理多孔介质渗流、结构变形与破碎等多种复杂耦合现象,实现了多孔介质中孔隙渗流与形变破坏现象的真实感仿真。·提出了一种基于光滑粒子流体动力学方法的多物理过程熔岩-山体耦合现象仿真算法。该方法针对复杂的多材质、多物理过程的火山现象,解析现象蕴藏的物理模型并进行合理简化,结合热力学模型,建立了多物理过程的动态耦合模型,进而基于光滑粒子流体动力学方法进行快速求解,可同时处理熔岩、火山岩、山体与烟雾之间的热传导、相变等复杂耦合现象,实现了大尺度火山场景的快速真实感仿真。·提出了一种基于欧拉方法与深度学习融合的烟雾-固体耦合仿真算法。针对高分辨率烟雾动画设计耗时的问题,该方法通过欧拉模型构建大规模烟雾-固体耦合仿真数据集,训练参数估计的卷积神经网络,高精度求解欧拉模型的物理参数。将物理参数作为先验知识,通过用户设计生成低分辨率输入,该方法采用考虑物理约束的卷积神经网络生成高分辨率速度场,实现了细节增强的烟雾-固体耦合快速真实感仿真。·提出了一种基于自适应光滑粒子流体动力学方法的各向异性材料脆性破碎仿真算法。针对各向异性材料物理参数复杂、交互困难的问题,该方法通过各向异性核函数追踪不同方向的应力,简化了各向异性材料的弹性力学分析,提高了算法的准确性与稳定性。根据应力分析结果,该方法设计了用户可控的裂纹生成模式,并通过自适应的几何细分粒子模型正确地重建细节丰富的裂纹表面,实现了各向异性材料脆性破碎现象的快速真实感仿真。本文对以上仿真算法结果使用基于物理的渲染引擎进行渲染,得到了真实感的动画仿真效果。大量实验结果验证了本文所提方法的有效性和实用性。