随着人们对游戏、影视动画、虚拟现实等清晰度和真实感需求的日益提高,传统的以关键帧为基础的仿真技术,已经无法满足用户的视觉需求。基于物理的计算机仿真技术主要研究如何对真实世界进行有效的模拟,已成为计算机仿真研究的热点。相比于传统的以关键帧为基础的仿真技术,基于物理的计算机仿真技术不仅可以提供逼真的视觉特效,同时还能降低制作成本和周期。为了设计出丰富的仿真效果,研究者们提出了各种各样的材料模型设计方法。然而现有的材料模型设计方法存在仿真效果难以控制,模型参数过多,以及模型不稳定等问题。针对上述问题:1、本文提出一种基于有限元的多个材料轴的非线性材料模型,将材料的应变能密度函数拆分成多个材料轴部分。该模型可以对各向同性和各向异性的非线性材料进行统一的建模,并能和真实的物理材料对应上。通过在不同的材料轴方向,设置不同的应变能密度函数,来控制材料轴在不同方向上的特性,符合真实的物理意义。同时该模型允许设计者对各个材料轴上的应变能函数进行设计,其设计方法非常直观,参数较少。2、针对本文的多个材料轴的非线性材料模型,我们提出相应的材料轴设计方法。通过大量的实验发现,材料轴的方向设置具有对称性。在半个材料空间里面设计材料方向和在整个材料空间里面设计材料方向能达到同样的效果。不仅减少了材料轴的设计,更重要的是减少了大量的计算时间,提高了仿真的时间效率。3、针对仿真过程出现不稳定的问题。本文提出一种应变能密度函数基底设计方法。通过使用本文设计基底A和B,可有效解决仿真设计过程中刚度矩阵不对称或不正定的问题,进而避免仿真过程产生不稳定的结果。最后,本文与基于主拉伸方向的非线性材料模型进行了对比。实验结果表明本文提出的方法直观、易于控制、参数较少,可以有效的模拟各向同性和各向异性材料,并且有着较高的时间效率。同时对比了不同基底函数的模型。实验结果表明,使用本文提出的基底函数,可以稳定的仿真出各种丰富的动态效果。