Effiziente, robuste und hoch skalierbare implizite Löser zur Simulation thermoplastischer 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

Das 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 Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse" setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln.In enger Zusammenarbeit mit einem Teilprojekt widmet sich dieses Teilprojekt der mehrskaligen Simulation der Prozesse in der Mischzone vor der Erstarrungsfront, in der die kritische Zone für die Erstarrungsrissentstehung liegt. Ein Fokus des vorliegenden Teilprojekts liegt dabei auf der Weiterentwicklung und parallelen Implementierung effizienter, robuster und hoch skalierbarer impliziter Löser für thermoplastische Probleme. Ein weiterer Fokus liegt auf der Erweiterung der Homogenisierungsmethode FE$^2$ innerhalb des Softwarepakets FE2TI. Beide Aspekte sind unabdingbar für die HPC-gestützte Simulation der Prozesse in der Mischzone.Zur Lösung der thermoplastischen Probleme werden vor allem Gebietszerlegungsverfahren vom Typ BDDC (Balancing Domain Decomposition by Constraints) und FETI-DP (Finite Element Tearing and Interconnecting - Dual Primal) weiterentwickelt. Beide Verfahrensklassen haben sich als robust und hoch skalierbar im Bereich der Elasto-Plastizität bewiesen. Aufbauend auf der eigenen PETSc-Implementierung, welche bereits parallele Skalierbarkeit auf einigen der weltweit größten Supercomputer und mehreren hunderttausend parallelen Prozessen bewiesen hat, sollen vor allem robuste Grobgitterprobleme für thermoplastische Probleme mit komplexer Mikrostruktur weiterentwickelt werden. Ebenfalls sollen zur Verbesserung der Skalierbarkeit geeignete Approximationen dieser Grobgitterprobleme untersucht werden. Ein wesentlicher Punkt zur effizienten Nutzung moderner Hardware ist auch die Betrachtung adaptiver Gitterverfeinerung bei gleichzeitigem Erhalt der parallelen Lastbalance.Im Softwarepaket FE2TI soll zur Lösung thermoplastischer Probleme, auf mikro- und mesoskopischer Skale, eine Schnittstelle zur Finite-Elemente- und Materialmodell-Bibliothek FEAP entwickelt werden. Hierbei werden die in TP7 definierten Standards zur nachhaltigen Softwareentwicklung unter Einbeziehung des Continuous-Benchmarking-Prinzips berücksichtigt. Alle Weiterentwicklungen der parallelen Löser BDDC und FETI-DP werden stets in FE2TI eingepflegt, damit jederzeit die bestmögliche Softwareumgebung zur Simulation der Mischzone bereitsteht.

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