从计算机诞生至今,计算机的应用已经遍布人们生活的方方面面,从科学计算到日常娱乐无不有计算机的影子。计算机的发展加速了不同学科交流融合的步伐,如今数学、物理、生物、医学等都与计算机科学有着密切联系,而医学虚拟手术模拟系统更是将这些学科全部有机地结合在一起。虚拟手术系统作为虚拟现实技术的一种,与人体软组织的三维建模都已经成为是计算机图形学的重要研究课题。而其中的软组织形变计算研究也是实时虚拟手术系统和人机交互系统中最具挑战性的内容。本文讨论了虚拟整形手术系统的需求分析及模块设计,并对其中的软组织形变仿真及其在虚拟手术系统中的应用展开详细分析和实验。考虑到软组织的非线性特性,为了兼顾计算的准确性和计算效率,重点研究讨论了非线性有限元模型的实现及其改进方案。本研究在传统有限元计算的基础上,提出创新性的混合计算方案,结合线性的快速和非线性的准确性计算软组织形变,并实验验证其可行性和效率;同时介绍了三维网格重建算法、图形处理单元的并行计算加速、人机交互技术等相关内容。本文的主要工作和创新点如下:1.详细讨论了有限元方法、相关的力学概念以及对应的数值解法,并针对大形变和材料的非线性问题对求解算法进行整理优化。2.讨论了有限元分析中网格模型的建立与选取。3.本文在几何非线性和材料非线性的混合非线性求解算法中融合了线性近似的计算,提升算法的计算效率。4.利用图形显示卡的并行计算特性进行程序优化。5.建立验证模拟结果的较合理的机制,通过实验验证形变模拟的真实性和有效性。6.根据实际实验结论,选取适当的网格模型,并对算法中的参数和材料参数的设定进行调整优化,以达到计算效率和模拟真实性的最优平衡。7.本论文的新型算法成功地将非线性有限元分析应用于整形手术模拟中,并对形变模拟结果进行应力分析。