固体力学的发展逐渐深入到了微纳米尺度，为了研究微纳米尺度材料的力学行为，除了传统的理论分析和实验测量手段外，发展可靠而又高效的计算方法成为了当前微纳米力学研究的热点之一。分子统计热力学方法(Molecule StatisticalThermodynamics，简称MST)是一种新的基于原子表象，用于分析有限温度下纳米材料准静态行为的计算方法。与传统的基于牛顿运动方程的分子动力学方法(Molecular Dynamics，简称MD)不同，MST是一种半解析方法，它基于对体系Helmholtz自由能的极小化。一方面，作为一种独立的原子表象计算方法，相比受到原子振动特征频率(相当的特征时间约为10-13s)制约的MD方法，MST则适用于分析空间尺度为纳米到微米的材料在有限温度下的准静态行为。另一方面，MST是集团/分子统计热力学耦合多尺度方法(Hybrid Molecule/Cluster StatisticalThermodynamics，简称HMCST)的基础，MST方法的可靠性、适用范围以及计算效率，决定着含温度效应多尺度计算方法HMCST的计算性能。因此，对MST方法做全面的分析，以便为微纳米尺度力学问题的分析提供有效、可靠的计算工具，才能推动含温度效应多尺度计算方法的进一步发展。　　 本文主要从理论、程序及应用三个方面对MST方法展开了深入研究。在理论方面：在三维MST方法中考虑了粒子在三个振动方向上的耦合，以提高自由能计算精度，并得到了完整的二维、三维情形下原子体系Helmholtz自由能及其导数的计算式；将常用于金属和半导体材料模拟的L-J势、Morse势、镶嵌原子势以及含长程相互作用的Bukingham势引入到了MST计算中。分别推导了采用这几种势函数计算体系自由能及其导数的表达式，并针对空间分解并行算法和提高计算效率的要求设计了计算方案，使MST方法可以高效地用于多种类型材料的计算；为了进一步提高MST方法的计算精度并扩大其温度适用范围，分析了粒子在势阱中的非线性振动，针对非线性振动的不同运动模式及采用简谐近似而出现的“虚频”问题，探讨了采用Duffing振子近似有效计算非线性振子频率及平均动能的方法，以用于Helmholtz自由能计算。在程序方面，基于MST方法的理论基础和计算流程，重点研究了MST计算过程的大规模并行化、自由能其及导数计算的优化和并行以及采用Ewald求和机制对含长程相互作用势函数的处理。在此基础上，开发了计算软件MSTS(MoleculeStatistical Thermodynamics Simulator)，获得了中国软件著作权登记(登记号为：2011SR003778)。MSTS高度模块化，且具有良好的通用性和扩展性，为MST方法的大规模应用提供了计算支持。在应用方面，将MST方法应用到了几类不同的固体材料的不同力学性质的研究：金属面心立方单晶纳米体系材料在单轴加载及纳米压痕过程中的位错形成及扩展、半导体ZnO纳米线的结构相变及力学性能的尺寸效应、半导体GaN纳米杆结构转变的自由能计算、非晶态铜体系的力学行为及晶化现象。这些计算表明，MST方法可以有效地刻画有限温度下不同材料(晶体和半导体)中出现的位错、相变以及非晶材料中的晶化等复杂的微结构变化，其计算结果与MD以及基于量子力学的密度泛函方法所得结果一致。更重要的是，在分析纳米材料的准静态行为时，MST比MD方法具有更高的计算效率，例如MST对ZnO纳米线拉伸过程的计算效率比MD高近60倍。特别是，利用MST的高效及可靠性，计算了直径从1.95nm到23.4nm的ZnO纳米线的拉伸过程，实现了大体系的分子计算(直径大于17.5nm的纳米线)和小体系的实际实验二者所得到的杨氏模量相衔接和符合的结果，为将分子模拟计算应用于实际纳米技术提供了定量上的可靠基础。