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高分子凝胶是由长链分子交联形成的三维网络和包含在高分子网络中的溶剂所组成的复合体系。由于高分子凝胶结构的复杂性，实验上很难严格控制高分子网络的结构，相关理论模型的建立往往偏离真实的分子状态，使得人们对其结构与性能的关系尚不十分清楚，限制了高分子凝胶材料的应用开发。现在，计算机模拟在研究具有复杂结构的高分子体系方面有着显著的优势。本论文采用分子动力学模拟方法，研究了不同化学计量比情况下，不同分子量的预聚高分子链与三官能度交联剂分子在不同数密度条件下进行末端交联反应生成高分子凝胶的过程，在计算机上“制备”了具有各种缺陷结构的“真实”高分子凝胶，并对该凝胶的溶胀性能和单轴拉伸行为进行了系统的研究。同时，为了模拟以高分子凝胶为基体的锂离子电池体系，发展了适用于处理含有光滑带电表面体系的Ewald加和算法，研究了接枝在带有相同电荷表面的聚电解质单链的平衡态构象。论文的主要贡献可以分为以下四个方面：
1.高分子化学凝胶化过程模拟结果表明，反应体系初始浓度和交联剂含量对凝胶形成以及网络结构有很大影响，分子内反应是高分子凝胶形成过程中一个重要的特征。在凝胶点附近，聚合物数密度分布与聚合物单体数之间满足临界逾渗模型的标度关系：n(p,N)～N-2.18。在等化学计量比情况下，未反应链末端分数在整个反应过程中随时间t以t-3/4方式衰减，与描述不可逆扩散重组过程的标度理论预测相吻合。
2.具有各种缺陷结构的“真实”高分子凝胶在良溶剂中的溶胀模拟结果表明，制备条件影响高分子凝胶的溶胀性能，平衡溶胀比Qeq与交联点间网链平均分子量Naver以及制备浓度φ0之间满足一定的标度律。高分子凝胶溶胀过程发生仿射形变，溶胀平衡的高分子凝胶中网链尺寸与平均分子量之间满足新的标度指数v=0.7。
3.利用发展的分子动力学模拟方法在广义NTLxσyyσzz系综中实现了非体积守恒的溶胀高分子凝胶的单轴拉伸过程的模拟。稳态拉伸模拟得到平衡溶胀高分子凝胶的泊松比为1/3，与理论预测相吻合。溶胀高分子凝胶以恒定应变速率连续形变的模拟获得了与单轴拉伸实验结果相似的应力-应交、应力-取向关系曲线。同时，模拟结果表明高分子网络中非受限的缺陷结构在拉伸过程中不发生形变是导致高分子凝胶散射图样随形变程度增加从椭圆形转变为似菱形的原因。该模拟方法为理论上建立跨越小形变到大形变，从短链非缠结区到长链缠结区的弹性模型提供了一种可靠的手段和可能性。
4.发展了一种适用于计算含有均匀带电表面体系静电相互作用力的新算法。利用该算法对接枝在带有相同电荷表面的聚电解质单链的模拟研究表明，表面接枝的聚电解质单链尺寸与表面电荷密度以及链带电分率的依赖关系与标度理论预测相吻合。这说明该方法在寻求低维空间长程相互作用的普适规律方面具有明显的优势。