基于物理的仿真动画技术作为一种重要的建模手段已经成为图形学研究的热点，同时也是难点。相比于传统的关键帧动画，物理仿真可以提供更加逼真的身临其境感和视觉冲击，因而在影视特效、游戏中都已得到广泛应用。然而现有物理仿真技术主要基于连续介质力学，其在描述和建模现实世界中复杂场景时存在诸多的问题和不足。为了拓展物理仿真技术的适用范围和建模能力，本文研究如何基于非局部作用机理进行流体、弹塑性材料以及多介质耦合的统一建模和仿真。归纳起来，本文的内容和创新点主要包括三方面:　　(1)详细探讨了连续介质力学的理论基础及其在建模复杂场景时的局限性，并在非局部作用机理的框架下重新阐述了场、梯度、散度和旋度的定义，揭示了它们背后的直观含义。同时，为了克服连续介质力学中微分方程在建模运动控制方程中局限性，本文详细阐述了态的概念，将连续介质力学中应力张量、应变张量等只适用于描述连续介质的物理量拓展到可以统一描述连续和非连续介质的非局部应力和非局部应变，并通过将微分形式的运动控制方程转换成了积分方程来解决连续介质力学的局限性。　　(2)为了解决长期以来一直困扰传统粒子法的拉伸不稳定性以及边界粒子缺失等问题，本文利用基于非局部作用原理和变分原理将流体的不可压缩性求解问题转换为基于动能最小的优化问题，并通过引入半分析法用于解决边界粒子缺失的问题，从而保证在不增加计算开销的前提下可以提升仿真的计算精度。另外，本文针对自由表面流中表面张力计算不稳定、精度差的问题，提出利用Helmholtz自由能来建模表面张力的方法，保证即使在边界采样粒子不足的情况下依然可以得到稳定可靠的表面张力计算结果。最后，为了增强表面细节，本文利用声波的波动方程近似模拟了表面张力波的生成和传播的过程。　　(3)为了保证任意维度的弹性材料在极端形变下的稳定模拟，本文提出一种新的基于积分形式的本构模型建模材料的弹性部分。对于塑性形变，本文通过直接更新材料的初始形状的方式来避免退化情况的发生。此外，为了保证均质流体内部的均匀性，本文提出一种基于位置的矫正方法来保证仿真粒子分布的均匀性。另外，本文根据颗粒流水分的饱和度以及颗粒密度提出一种动态计算材料系数的方法，从而使得我们的方法可以用统一的方式模拟不同饱和度下的颗粒流。