随着计算机图形学、虚拟现实及计算机硬件技术突飞猛进的发展,计算机动画已渗透到人们生活与工作的各个方面。在科学计算、建筑、工程、系统仿真以及教育等领域,计算机动画在演示、分析及数据可视化等方面发挥着不可替代的作用。如今,人们对计算机动画提出了更高的标准。外形上的逼真早已无法满足人们对动画的要求,合理的运动细节以及真实的碰撞效果才是人们所期待的。这给计算机动画带来了极大的挑战,尤其是流体和固体交互的动画——流固耦合动画。因此,传统的关键帧方法变的不再可行,过程动画虽然可以在一定程度上模拟流体,但很难实现流固耦合动画。于是基于物理的流固耦合动画制作方法逐渐成为主流。本文以流固耦合动画为研究对象,以流固耦合动画系统为成果,以提高效率和真实性为目标,主要研究以下四个方面：第一,基于物理的流体模拟；第二,流体的表面重构技术；第三,固体的表面重构及建模。第四,流体与固体的交互方法,及基于GPU的并行加速方法。在本文中流体为均质弱可压流体,如水。固体包括刚体和可变形体。本文算法的主要贡献和创新点如下：1)本文以SPH (Smooth Particle Hydrodynamics,光滑粒子动力学)为流体模拟的基本框架。针对传统SPH方法固定时间步长的不足,提出了基于异步积分的自适应时间步长的SPH (Adaptively Stepped SPH)方法。本文方法中每个粒子具有独立的时间步长,与固定时间步长方法以及全局动态时问步长方法相比获得了理想的加速比。2)由于SPH方法使用粒子进行流体模拟,与基于网格的方法相比其流体表面难以跟踪。因此,通常采用颜色场的方法进行表面重构,但所重构表面也不够光滑。针对这一问题,本文提出了一种了基于各向异性核函数的表面重构算法,该算法优化了传统的各向异性核函数的计算方法。并根据邻居粒子分布的特征值,将粒子分为近表面粒子和内部粒子,只使用近表面粒子进行表面重构。实验证明,本文方法所重构的表面光滑,在保留了表面几何特征的同时,提高了表面重构的效率。3)由于流体需要和固体进行交互,本文提出了一种基于自由形变的表面重构技术。该方法解决了从切片数据到动画模型的建模问题,扩展了本文所述系统的应用领域。对于以切片为输入的表面重构,顶点间匹配关系的建立十分重要。基于自由形变的表面重构技术可以很好的建立顶点间的匹配关系,生成的表面完全贴合于输入点集,提高了重构表面的准确性。对于可变形固体,通过在刚体网格顶点问增加约束来实现可变形特性。4)介绍流固耦合动画系统中的关键技术。除了流体模拟和表面重构外还包括以下内容：固体的表面采样,本文根据SPH的特性提出了一种新的采样方法,可以获得均匀的采样结果并且计算效率高：流体与固体的交互,即流体与固体间作用力的计算方法；GPU加速技术,使用GPU对流体的模拟进行加速,将滑动向量法用于多种粒子共存的GPU算法中。