Projekt

ln EXASTEEL werden Algorithmen und Software zur Simulation dreidimensionaler Multiskalenprobleme aus den Materialwissenschaften entwickelt, die geeignet sein werden für die zukünftigen Exascale-Supercomputer. Die Eigenschaften moderner Hochleistungsstähle werden durch das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Komponenten auf der Mikroskala bestimmt. Direkte numerische Homogenisierungsmethoden, wie zum Beispiel das FE"2-Verfahren, können das Materialdesign und die Analyse moderner Stähle erheblich verbessern. Mit Hilfe eines solchen Ansatzes können die lokalen Feldgleichungen mit einer hohen Auflösung und Genauigkeit berechnet werden, was wiederum für die Vorhersage von Materialversagen benötigt wird. Die Durchführung der Skalenseparation in der FE"2-Methode verlangt für realistische 3DProbleme die Entwicklung neuer, ultra-skalierbarer und robuster Algorithmen und Löser, welche in einer neuen Anwendungssoftware zusammengeführt werden müssen. Die entsprechenden Algorithmen müssen speziell für den effizienten Einsatz auf den zu erwartenden, zukünftigen Hardwarekonfigurationen entworfen werden. Dazu soll der direkte Multiskalenansatz (FE"2) mit neuen, hocheffizienten, parallelen Löseralgorithmen kombiniert werden. Für letztere soll ein hybrider Algorithmenansatz gewählt werden, der nichtüberlappende, parallele (FETI) Gebietszerlegungsverfahren mit effizienten, parallelen Mehrgittervorkonditionierern kombiniert. Ein umfassender Performance-Engineering-Ansatz wird unter der Anleitung des Antragstellers Weilein implementiert. Dies soll einen systematische Optimierung und Parallelisierung über alle Softwareebenen sicherstellen. Das Projekt baut auf eine parallele Simulationssoftware für komplexe, nichtlineare Strukturmechanikprobleme auf, die von den Antragstellern Schröder, Balzani und Klawonn, Rheinbach entwickelt wurde. Sie basiert auf der Anwendungssoftware FEAP (Finite Element Analysis Program, R. Taylor, UC Berkeley). Innerhalb einer neu entwickelten Softwareumgebung wurde FEAP mit einem FETI-DP-Gebietszerlegungsverfahren, basierend auf PETSc und hypre (Lawrence Livermore National Laboratory), kombiniert, um, z. B. parallele Simulationen nichtlinearer biomechanischer Probleme durchzuführen. Das angestrebte "Scale-bridging" für realistische, anspruchsvolle Ingenieuranwendungen in 3D erfordert eine Rechnerkapazität, wie sie erst durch Exascale-Computer zur Verfügung stehen wird.