Ultra-Skalierbare Multiphysiksimulationen für Erstarrungsprozesse in Metallen (SKAMPY)

Third Party Funds Group - Overall project


Acronym: SKAMPY

Start date : 01.02.2016

End date : 31.01.2019


Project details

Short description

Komplexe Phänomene in den Natur- und Ingenieurwissenschaften werden dank der rapide steigenden Rechenleistung immer öfter mit Hilfe von realitätsgetreuen Simulationstechniken erforscht. Das daraus entstandene Fachgebiet Computational Science and Engineering (CSE) gilt deshalb als neue, dritte Säule der Wissenschaft, die die beiden klassischen Säulen Theorie und Experiment ergänzt und verstärkt. Im Kern des CSE geht es darum, leistungsfähige Simulationsmethoden für aktuelle und zukünftige Höchstleistungsrechner zu entwerfen, zu analysieren und sie für die praktische Nutzung robust, benutzerfreundlich und zuverlässig zu implementieren.

Für die Entwicklung neuer Materialien mit besseren Werkstoffeigenschaften, sowie für die Optimierung von Herstellungs- und Fertigungsprozessen sind moderne und hocheffiziente Simulationstechniken heute unverzichtbar. Sie ersetzen hier zu einem großen Teil die traditionellen zeit- und kostenintensiven Experimente, die sonst für die Materialentwicklung und die Qualitätssteigerung von Werkstoffkomponenten erforderlich sind. Materialsimulationen bilden dabei jedoch eine große Herausforderung für die Grundlagenforschung und für das Höchstleistungsrechnen.

Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes werden ganz wesentlich durch die Ausbildung der Mikrostruktur beim Herstellungsprozess - d.h. bei der Erstarrung aus der Schmelze - festgelegt. Die Simulation des Erstarrungsprozesses kann dabei wichtige neue Erkenntnisse über experimentell nicht beobachtbare Gefügeausbildungsprozesse liefern und dies ermöglicht es, den Einfluss auf die erzielte Struktur systematisch zu analysieren. Hiermit wird es in Zukunft möglich, neue Materialien mit speziellen Eigenschaften virtuell am Computer zu entwerfen.

Simulationsbasierte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für diese Problemstellung erfordern eine sehr feine räumliche und zeitliche Auflösung, um alle relevanten physikalischen Effekte abzubilden und deshalb benötigen sie eine extrem hohe Rechenleistung. Um auf künftigen Großrechensystemen derartige Probleme mit vielen Tausend Rechenknoten lösen zu können, muss die eingesetzte Simulationssoftware nicht nur in der Lage sein, diese vielen Rechenknoten gleichzeitig zu nutzen, sondern sie muss darüber hinaus auch eine maximale Rechenleistung bei möglichst geringem Ressourcenverbrauch liefern. Neben der eigentlichen Rechenzeit gewinnt hier auch der Energieverbrauch der Supercomputer eine erhebliche Bedeutung. Als Software Basis von SKAMPY wird das waLBerla Framework verwendet. In diesem Projekt wird waLBerla nun erweitert um neue anwendungsorientierte Probleme in den Materialwissenschaften zu lösen. Dabei kommen speziell entwickelte Programmiermethoden zum Einsatz, die eine besonders gute Ausnutzung der Supercomputer ermöglichen. Im Rahmen einer vielversprechenden gemeinsamen Machbarkeitsstudie für die Simulation von Erstarrungsprozessen in Metalllegierungen wurde bereits die Leistungsfähigkeit des Ansatzes und die Portierbarkeit auf die Architekturen aller drei deutschen Höchstleistungsrechner gezeigt, so dass das Projektkonsortium nun bestens aufgestellt ist, um Supercomputersimulationen auch für zukünftige, noch deutlich komplexere Forschungsaufgaben nachhaltig nutzbar zu machen.


Scientific Abstract

Komplexe Phänomene in den Natur- und Ingenieurwissenschaften werden dank der rapide steigenden Rechenleistung immer öfter mit Hilfe von realitätsgetreuen Simulationstechniken erforscht. Das daraus entstandene Fachgebiet Computational Science and Engineering (CSE) gilt deshalb als neue, dritte Säule der Wissenschaft, die die beiden klassischen Säulen Theorie und Experiment ergänzt und verstärkt. Im Kern des CSE geht es darum, leistungsfähige Simulationsmethoden für aktuelle und zukünftige Höchstleistungsrechner zu entwerfen, zu analysieren und sie für die praktische Nutzung robust, benutzerfreundlich und zuverlässig zu implementieren.

Für die Entwicklung neuer Materialien mit besseren Werkstoffeigenschaften, sowie für die Optimierung von Herstellungs- und Fertigungsprozessen sind moderne und hocheffiziente Simulationstechniken heute unverzichtbar. Sie ersetzen hier zu einem großen Teil die traditionellen zeit- und kostenintensiven Experimente, die sonst für die Materialentwicklung und die Qualitätssteigerung von Werkstoffkomponenten erforderlich sind. Materialsimulationen bilden dabei jedoch eine große Herausforderung für die Grundlagenforschung und für das Höchstleistungsrechnen.

Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes werden ganz wesentlich durch die Ausbildung der Mikrostruktur beim Herstellungsprozess - d.h. bei der Erstarrung aus der Schmelze - festgelegt. Die Simulation des Erstarrungsprozesses kann dabei wichtige neue Erkenntnisse über experimentell nicht beobachtbare Gefügeausbildungsprozesse liefern und dies ermöglicht es, den Einfluss auf die erzielte Struktur systematisch zu analysieren. Hiermit wird es in Zukunft möglich, neue Materialien mit speziellen Eigenschaften virtuell am Computer zu entwerfen.

Simulationsbasierte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für diese Problemstellung erfordern eine sehr feine räumliche und zeitliche Auflösung, um alle relevanten physikalischen Effekte abzubilden und deshalb benötigen sie eine extrem hohe Rechenleistung. Um auf künftigen Großrechensystemen derartige Probleme mit vielen Tausend Rechenknoten lösen zu können, muss die eingesetzte Simulationssoftware nicht nur in der Lage sein, diese vielen Rechenknoten gleichzeitig zu nutzen, sondern sie muss darüber hinaus auch eine maximale Rechenleistung bei möglichst geringem Ressourcenverbrauch liefern. Neben der eigentlichen Rechenzeit gewinnt hier auch der Energieverbrauch der Supercomputer eine erhebliche Bedeutung. Als Software Basis von SKAMPY wird das waLBerla Framework verwendet. In diesem Projekt wird waLBerla nun erweitert um neue anwendungsorientierte Probleme in den Materialwissenschaften zu lösen. Dabei kommen speziell entwickelte Programmiermethoden zum Einsatz, die eine besonders gute Ausnutzung der Supercomputer ermöglichen. Im Rahmen einer vielversprechenden gemeinsamen Machbarkeitsstudie für die Simulation von Erstarrungsprozessen in Metalllegierungen wurde bereits die Leistungsfähigkeit des Ansatzes und die Portierbarkeit auf die Architekturen aller drei deutschen Höchstleistungsrechner gezeigt, so dass das Projektkonsortium nun bestens aufgestellt ist, um Supercomputersimulationen auch für zukünftige, noch deutlich komplexere Forschungsaufgaben nachhaltig nutzbar zu machen.

Involved:

Contributing FAU Organisations:

Funding Source