小行星上蕴含着丰富的稀有矿物资源,并保存着太阳系形成初期的原始成分,是研究太阳系起源和演化历史的活化石,具有极大的科学研究价值。随着近十年来小行星探测热潮的兴起,对小行星的研究已从其轨道、形状、旋转状态和光谱类型扩展到其结构演化机制和外力响应特性。其中,小行星碎石堆结构概念的提出,为所观测到小行星的物理性质和天文现象提供了合理的解释,但同时也对小行星探测任务及相关研究提出了诸多挑战。本文从碎石堆结构的物理特性出发,建立了高效并行树结构引力N体-离散动力学模型,结合连续介质理论与冲击动力学方法,对碎石堆小行星的结构稳定性和动力学过程进行了研究。在针对YORP加速自旋效应开展的关于碎石堆小行星极限转速和失效模式的研究方面,本文分别采用连续介质理论分析方法和离散动力学数值模拟方法,从不同角度分析了给定材料参数的碎石堆小行星在一定旋转状态下的应力分布特征,由此对碎石堆结构的失效模式和极限转速进行推断。提出了评估碎石堆离散元模型的极限转速和结构强度的方法,为定量对比连续介质理论分析结果和离散动力学数值模拟结果提供了理论支撑。对比结果显示,相比于连续介质理论,离散元方法在碎石堆小行星静力学和动力学行为的研究中具有更强的适用性。基于上述研究中对碎石堆小行星自旋加速演化过程的认识,本文以近地双小行星系统65803 Didymos为例,通过离散动力学自旋加速模拟对其结构的动力学响应特性和蠕变稳定性进行研究,建立了该系统主星的颗粒分布构型与失效条件、失效模式间的联系,给出了其物理性质和材料参数的取值范围,讨论了类Didymos型双小行星系统的形成机制。在碎石堆小行星撞击演化动力学的研究方面,本文主要关注小行星轨道摄动力对撞击喷射物质运动的作用。研究发现摄动力在近日点处增强,能够提高撞击事件中小行星的质量损失率。由此推知,在动能撞击防御威胁小行星任务中,在近日点处实施撞击效果最佳。据此,本文结合物质点法对两种不同结构的小行星开展高速撞击演化模拟,并分析撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示两种结构的小行星均易在高速撞击作用下破碎分解,所产生的部分逃逸碎片仍会撞击地球。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好。所建立的研究方法有望用于未来小行星防御任务的撞击条件选择和撞击结果预估。