Dual-Phasen-Stähle - Von Mikro- zu Makro-Eigenschaften (EXASTEEL-2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Balzani; Professor Dr. Axel Klawonn; Professor Dr. Oliver Rheinbach; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder; Professor Dr. Gerhard Wellein
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Mechanik ; Softwaretechnik und Programmiersprachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230723766

In EXASTEEL-2 arbeiten Experten für skalierbare iterative Löser, rechnergestütze Modellierung in den Materialwissenschaften, Performance Engineering und für parallele direkte Löser zusammen an neuen Algorithmen und Software für ein Grand-Challenge-Problem in den Materialwissenschaften. Es besteht ein zunehmender Bedarf an prädiktiven Simulationen des makroskopischen Verhaltens komplexer neuer Materialien. In EXASTEEL-2 wird dieses Problem für moderne mikroheterogene (Dual-Phasen-) Stähle betrachtet, um die makroskopischen Eigenschaften neuer Materialien aus denen auf der Mikroskale vorherzusagen. Es ist das Ziel, Algorithmen und Software für ein virtuelles Labor zu entwickeln, um in silico prädiktive Materialprüfungen vornehmen zu können. Ein Bottleneck ist der Rechenaufwand für die Multiskalenmodelle. Diese benötigen ausreichend genaue, mikromechanisch motivierte Modelle auf der kristallinen Skala. Daher werden in diesem Projekt neue ultra-skalierbare nichtlineare implizite Löser entwickelt und mit einem hochparallelen numerischen Homogenisierungsverfahren (FE^2) kombiniert, eng verflochten mit einem konsequenten Performance Engineering, um diese anspruchsvolle Anwendung eines virtuellen Labors zur Materialprüfung und zum Materialdesign zum Einsatz auf den zukünftigen Rechnerarchitekturen des Exascale-Computings zu bringen. Für die Materialwissenschaften erwarten wir einen stetigen Übergang von deskriptiven zu prädiktiven makroskopischen Simulationen und betrachten, nach unserem Wissen zum ersten Mal innerhalb eines numerischen Homogenisierungsverfahrens, die polykristalline Natur von Dual-Phasenstahl mit Korngrenzeneffekten auf der Mikroskala. Unsere Ziele könnten nicht erreicht werden, ohne auf die Algorithmen- und Software-Infrastruktur aus EXASTEEL-1 aufzubauen. In EXASTEEL-2 werden wir den Paradigmenwechsel von Newton-Krylov zu nichtlinearen Lösern (und ihre Komposition), der in EXASTEEL-1 begonnen wurde, vollständig vollziehen. Diese Verfahren zeichnen sich durch erhöhte Parallelität und reduzierte Kommunikation aus. Durch Kombination nichtlinearer Gebietszerlegungsverfahren mit Mehrgittermethoden wollen wir die Skalierbarkeit der resultierenden Algorithmen für nichtlinear Probleme noch einmal erheblich erhöhen. Obwohl wir hier eine spezielle Anwendung betrachten, werden die Algorithmen und die optimierte Software auch auf andere Probleme anwendbar sein: Nichtlineare implizite Löser sind essentieller Bestandteil vieler Simulationspakete. Bei der von uns verwendeten Software PETSc, BoomerAMG, PARDISO und FEAP handelt es sich um Softwarepakete mit einer großen Nutzerbasis. Die Weiterentwicklung dieser Softwarepakete ist explizit Bestandteil des Arbeitsprogramms dieses Projektes. Dieses Projekt behandelt daher Computational Algorithms (nichtlineare implizite Löser, numerische Homogenisierungsverfahren), Application Software und Programming (Performance Engineering, hybride Programmierung, Beschleuniger).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1648: Software für Exascale Computing
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Olaf Schenk