伴随数值模拟技术的引入，铸造过程的研究摆脱了对传统工艺试制过程的依赖。数值模拟技术对预测诸多铸造缺陷，如气孔、夹渣、冷隔、浇不足等起到了关键性的作用，是优化模具设计、保证铸件质量、改进工艺过程、降低生产成本的有效手段。从计算域是否需要进行网格划分，数值模拟方法可以分为基于网格的数值模拟方法和无网格的数值模拟方法。由于网格在拟合复杂曲线、曲面上存在困难，以及基于网格的数值方法在求解自由表面运动问题上精度的不足，无网格方法尤其是光滑粒子流体动力学（SPH）方法因其无网格特性和采用的核函数近似与粒子近似过程，在处理类似铸造充型过程这类强烈的自由表面运动的问题上具有极大的发展前景。本文基于SPH方法和计算流体力学的基本理论，推导了充型过程控制方程的SPH离散形式，建立了铸造充型过程的SPH模型。建立了基于排斥力模型、虚粒子模型的充型过程的固壁边界条件；建立了充型过程的入流与循环边界的处理方法；提出了基于链表搜索的分域细化的链表搜索方法，对链表搜索方法进行了改进；编写了针对充型过程的WCSPH求解程序，实现了SPH方法对铸造过程的流体自由表面运动问题的模拟。将Benchmark算例的实验结果、有限差分方法结果与编写WCSPH程序计算结果进行了对比，验证了WCSPH方法在处理自由表面问题上的有效性。采用移动最小二乘法提高了SPH方法处理粒子非均匀分布问题的计算精度。通过在液态着色水中加入聚丙烯酰胺，调整水溶液的粘度，建立了充型过程的水模拟实验，并将实验结果与WCSPH程序计算结果进行了对比分析，进一步验证了WCSPH方法在模拟充型过程问题上的有效性与稳定性。计算了溃坝过程的流态与压力分布，验证了虚粒子边界模型在流体自由表面运动模拟中的有效性。针对传统的WCSPH方法将不可压缩流体近似为微可压缩流体，研究了完全不可压缩SPH方法（ISPH）的原理与求解过程，建立了自由表面问题的ISPH计算模型，开发了ISPH的求解程序，实现了对冲击这类自由表面运动问题的模拟。相对于微可压缩WCSPH方法，ISPH是一种半隐式方法。压力由泊松方程迭代求解，而速度则显式计算。通过对二维水柱冲击问题的研究。验证了ISPH方法在模拟自由表面运动问题上的有效性。推导了传热过程控制方程的SPH离散格式。对比一维传热算例的解析解与SPH传热计算的数值解，证明了二阶热传导方程SPH离散形式的有效性。针对温度对充型过程流场的影响，提出了液态金属物性参数在不同温度下的处理方法；建立了流-热耦合的SPH模型，开发了充型过程的流-热耦合计算程序。计算了圆环件充型过程不同时刻的温度分布，验证了流-热耦合SPH计算模型的有效性。引入温度回升法处理凝固过程中相变对温度分布的影响，与有限元软件MSC. Marc计算结果进行对比，对T形件凝固过程中是否考虑潜热释放的不同情况下的温度分布进行了对比分析，证明了所建立的SPH传热模型求解铸件凝固过程中温度场的有效性。