颗粒系统的运动是工业生产的重要过程,在矿业、制药工业和电力等关系到国计民生的行业均广泛存在,然而驱动其运动耗能巨大且驱动能量的利用率不高,工业球磨机就是其中的典型例子。研究球磨机介质及物料的运动特性,了解磨机内各种现象的产生机理对提高球磨机的能量利用率有非常重大的作用,计算机仿真是实现这个目标的主要途径,但是由于球磨机内介质规模巨大且采用离散元素法方法计算复杂度较高,导致目前实现较大规模的模拟需要耗费较多的资源和时间,难以使颗粒系统的模拟成为研究的日常手段。因此,本文结合离散元素法和GPU并行计算架构,实现基于GPU的球磨机介质运动仿真,希望以更普遍的设备提高计算机仿真的速度,为此方面的研究提供一种更快速的方式。首先,针对GPU并行计算模型可以实现大规模的多线程计算的特点,采用以颗粒为单位的计算任务划分方式,将颗粒作为最小线程单元,让每个线程负责一个颗粒的相关计算;针对GPU线程的轻量化特点,将离散元素法的计算步骤划分为逻辑上更简单多个步骤,减少每个核函数的计算负担,从而建立基于GPU和离散元素法的计算框架。其次,对于计算较为复杂和耗时的颗粒接触搜索步骤,采用经典的均匀空间分解方法,将颗粒的近邻识别过程分解为空间分解、排序和装箱三个步骤,采用更加简单的计算方法实现颗粒的潜在近邻搜索,使得每个颗粒的相关计算任务大大减小,更加适合GPU的轻量化线程结构;对于均匀尺寸颗粒系统,通过使用mask搜索方法进行优化,减小了一半的颗粒接触搜索区域,去除了重复搜索,进一步降低接触判断的计算时间,提高计算效率;对于尺寸分布不均匀的颗粒系统,采用边界盒方法进行空间分解和颗粒装箱,根据颗粒大小和位置动态调整颗粒的近邻区域,减少了因为每个元胞单元所含颗粒数目大规模增加带来的不必要的接触判断,进一步提高粗相接触搜索的计算效率。再次,针对依赖切向位移的切向接触力模型在GPU上应用时会大幅降低计算效率的问题,选择忽略切向弹性变形过程的简单摩擦模型,降低接触力计算的复杂度;简化颗粒与几何体之间的接触判断,将其与颗粒之间的作用力计算分开,并将筒体视为由圆柱面、端盖平面和多面体衬板组成的简单边界,避免了将几何体离散化为大量离散单元而带来的额外计算;通过对颗粒与几何体的相对位置进行粗相判断,排除大量未与几何体真实接触的颗粒,减少颗粒与几何体的接触判断计算。最后,通过和采用CPU并行计算方式的仿真结果进行对比,并结合小型滚筒实验和实际工业球磨机的实验结果,验证了本文中提出的计算模型的准确性;通过对比分析不同线程结构和不同空间网格尺寸下的计算时间,找出最佳的线程结构范围和网格尺寸选择范围;然后通过采取三种仿真方案,对比了在大致相同的硬件条件下,采用GPU并行的计算方式相对于CPU并行计算方式的计算效率提升幅度。