Maschinelles Lernen und Hochleistungsrechnen zur effizienten Simulation thermo-elastoplastischer Erstarrungsprozesse

• Antragsteller: Professor Dr. Axel Klawonn; Dr. Martin Lanser
• Fachliche Zuordnung: Mathematik ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Laserstrahlschweißen als flexibles und kontaktloses Fügeverfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Bearbeitung von Legierungen mit großem Schmelzintervall stellt aufgrund ihrer Neigung zu Erstarrungsrissen jedoch eine Herausforderung dar. Diese entstehen durch kritische Spannungs- bzw. Dehnungszustände der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze. Trotz der hohen industriellen Relevanz existieren bisher lediglich Ansätze, die sich Teilaspekten dieser Problematik - metallurgisch orientiert oder strukturorientiert - widmen. Die Forschungsgruppe „Erstarrungsrisse beim Laserschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse“ setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln. Dieses Teilprojekt widmet sich der Mehrskalensimulation der Prozesse in der Mischzone vor der Erstarrungsfront – der kritischen Zone für die Erstarrungsrissentstehung. Dies geschieht in engem Co-Design mit den Modellierungsansätzen aus TP4. Ein Fokus liegt auf der Erweiterung der Homogenisierungsmethode FE$^2$ im Softwarepaket FE2TI, sowie einer auf maschinellem Lernen (ML) basierenden Mehrskalenmethode. Während in der FE$^2$- Methode viele lokalisierte elastoplastische Randwertprobleme zur Berechnung der homogenisierten Spannung gelöst werden, setzen wir alternativ auf ML-basierte Surrogatmodelle, welche diese direkt vorhersagen. Ein weiterer Fokus ist die Weiterentwicklung robuster und hoch skalierbarer impliziter Löser für thermo-elastoplastische Probleme - insbesondere nichtlinearer, zweistufiger Schwarz- Verfahren. Zur Lösung der thermo-elastoplastischen Probleme werden, wie bereits in der ersten Projektphase, Schwarz-Gebietszerlegungsverfahren mit monolithischem GDSWGrobgitterraum genutzt. In der zweiten Phase liegt der Fokus auf der Integration nichtlinearer Schwarz-Verfahren, welche die nichtlineare Konvergenz verbessern sollen. Diese Verfahrensklasse wurde bislang nicht für thermo-elastoplastische Probleme eingesetzt, sie ist jedoch vielversprechend, um bei hohen plastischen Deformationen größere Zeitschritte zu ermöglichen. Die Implementierung geschieht aufbauend auf der eigenen PETSc-Implementierung, welche bereits in der ersten Phase parallele Skalierbarkeit für realistische einskalige Laserstrahlschweißprozesse bewiesen hat. Im Softwarepaket FE2TI wurde in der ersten Phase zur Lösung thermoplastischer Probleme eine Schnittstelle zur Finite-Elemente- und Materialmodell-Bibliothek FEAP entwickelt. Unter Berücksichtigung der in TP7 definierten Standards zur nachhaltigen Softwareentwicklung unter Einbeziehung des Continuous-Benchmarking-Prinzips soll diese zusammen mit TP4 weiterentwickelt werden. Zudem sollen in verschiedenen TPs entwickelte Rissindikatoren in FE2TI integriert werden, zum Beispiel die von TP4 vorgeschlagene lokale Stabilitätsanalyse, um die verschiedenen Indikatoren in hoch aufgelösten Simulationen zu testen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse