High Performance Materials Simulation

Die Gruppe beschäftigt sich der Entwicklung hochoptimierter parallelisierter Codes. Diese ermöglichen großskalige Simulationen der Erstarrung von Legierungen und von Sinterprozessen mit der Phasenfeldmethode, und die Auswertung großer Datensätze.
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Forschung

Die Anforderungen an innovative Bauteile erfordern Materialien mit einem definierten Eigenschaftsprofil. Diese hängen von der chemischen Zusammensetzung sowie von der beim Herstellungsprozess entwickelten Mikrostruktur ab. Deshalb ermöglicht ein besseres Verständnis der Mikrostrukturentwicklung die Herstellung von Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Um das High-Performance-Computing-System möglichst effizient zu nutzen, werden hochoptimierte und vektorisierte Codes der Modelle, die für die Simulation genutzt werden, in der Gruppe entwickelt. Die Simulationen laufen auf Hochleistungscomputern, wie sie z. B. am Hochstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) zu finden sind. Durchgeführt werden die Simulationen auf mehreren zehntausend Recheneinheiten, mit den am Institut entwickelten, massiv parallelen Lösern Pace3D und waLBerla.
Im Bereich der Legierungen  steht vor allem die Mikrostrukturentwicklung durch unterschiedliche Prozessparameter, wie sie bei der gerichteten Erstarrung binärer und tenärer Eutektika auftritt, sowie das gekoppelte eutektisch-dendritische Wachstum im Fokus. Weiterhin beschäftigt sich die Forschungsgruppe mit der Simulation des Festphasensinterns im initalen und mittleren Zustand sowie der Mikrostrukturenentwicklung im Endstadium des Sinterns unter dem Einfluss von Poren.
Zur Generierung von realistischen Mikrostrukturen, wie beispielsweise Mikrostrukturen von Grünkörpern mit definierter Dichte, Partikelgrößenverteilung und Partikelform, und zur Auswertung der großskaligen Simulationsergebnisse, beispielsweise bei der Entwicklung der Fasern bei der gerichteten Erstarrung, werden zudem verschiedene Werkzeuge in der Gruppe entwickelt.

Projektteam
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wissenschaftlicher Mitarbeiter
Assoziierte Mitglieder des Projektteams
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Mitarbeiter
Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Publikationen


2021
Data workflow to incorporate thermodynamic energies from Calphad databases into grand-potential-based phase-field models.
Dargahi Noubary, K.; Kellner, M.; Hötzer, J.; Seiz, M.; Seifert, H. J.; Nestler, B.
2021. Journal of Materials Science, 56 (20), 11932–11952. doi:10.1007/s10853-021-06033-7
Lustre I/O performance investigations on Hazel Hen: experiments and heuristics.
Seiz, M.; Offenhäuser, P.; Andersson, S.; Hötzer, J.; Hierl, H.; Nestler, B.; Resch, M.
2021. The journal of supercomputing. doi:10.1007/s11227-021-03730-7
Modelling and simulation of the freeze casting process with the phase-field method.
Seiz, M.; Nestler, B.
2021. Computational materials science, 193, Art.-Nr.: 110410. doi:10.1016/j.commatsci.2021.110410
2020
Extreme Scale Phase-Field Simulation of Sintering Processes.
Hierl, H.; Hötzer, J.; Seiz, M.; Reiter, A.; Nestler, B.
2020. 2019 IEEE/ACM 10th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA), Denver, CO, USA, 18-18 Nov. 2019, 25–32, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). doi:10.1109/ScalA49573.2019.00009
Phase-inherent linear visco-elasticity model for infinitesimal deformations in the multiphase-field context.
Schwab, F. K.; Reiter, A.; Herrmann, C.; Schneider, D.; Nestler, B.
2020. Advanced modeling and simulation in engineering sciences, 7 (1), Art.-Nr.: 47. doi:10.1186/s40323-020-00178-x
Bad Nodes Considered Harmful: How to Find and Fix the Problem.
Seiz, M.; Hötzer, J.; Hierl, H.; Andersson, S.; Nestler, B.
2020. Sustained Simulation Performance 2018 and 2019 – Proceedings of the Joint Workshops on Sustained Simulation Performance, University of Stuttgart (HLRS) and Tohoku University, 2018 and 2019. Ed.: M. Resch, 123–130, Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-030-39181-2_11
Interface tracking characteristics of color-gradient lattice Boltzmann model for immiscible fluids.
Subhedar, A.; Reiter, A.; Selzer, M.; Varnik, F.; Nestler, B.
2020. Physical review / E, 101 (1), Article: 013313. doi:10.1103/PhysRevE.101.013313
2019
Code generation for massively parallel phase-field simulations.
Bauer, M.; Hötzer, J.; Ernst, D.; Hammer, J.; Seiz, M.; Hierl, H.; Hönig, J.; Köstler, H.; Wellein, G.; Nestler, B.; Rüde, U.
2019. SC ’19: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, Art.-Nr.: a59, Association for Computing Machinery (ACM). doi:10.1145/3295500.3356186
Phase-field study of grain growth in porous polycrystals.
Rehn, V.; Hötzer, J.; Rheinheimer, W.; Seiz, M.; Serr, C.; Nestler, B.
2019. Acta materialia, 174, 439–449. doi:10.1016/j.actamat.2019.05.059
A bionic approach for heat generation and latent heat storage inspired by the polar bear.
August, A.; Kneer, A.; Reiter, A.; Wirtz, M.; Sarsour, J.; Stegmaier, T.; Barbe, S.; Gresser, G. T.; Nestler, B.
2019. Energy, 168, 1017–1030. doi:10.1016/j.energy.2018.11.143
Phase-field simulation of solid state sintering.
Hötzer, J.; Seiz, M.; Kellner, M.; Rheinheimer, W.; Nestler, B.
2019. Acta materialia, 164, 184–195. doi:10.1016/j.actamat.2018.10.021
2018
Multiphase-field model of small strain elasto-plasticity according to the mechanical jump conditions.
Herrmann, C.; Schoof, E.; Schneider, D.; Schwab, F.; Reiter, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Computational mechanics, 62 (6), 1399–1412. doi:10.1007/s00466-018-1570-0
The parallel multi-physics phase-field framework PACE3D.
Hötzer, J.; Reiter, A.; Hierl, H.; Steinmetz, P.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Journal of computational science, 26, 1–12. doi:10.1016/j.jocs.2018.02.011
Phase-field modeling of reactive wetting and growth of the intermetallic Al2 Au phase in the Al-Au system.
Wang, F.; Reiter, A.; Kellner, M.; Brillo, J.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Acta materialia, 146, 106–118. doi:10.1016/j.actamat.2017.12.015
Correction to: Small strain multiphase-field model accounting for configurational forces and mechanical jump conditions.
Schneider, D.; Schoof, E.; Tschukin, O.; Reiter, A.; Herrmann, C.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Computational mechanics, 61 (3), 297. doi:10.1007/s00466-017-1485-1
Small strain multiphase-field model accounting for configurational forces and mechanical jump conditions.
Schneider, D.; Schoof, E.; Tschukin, O.; Reiter, A.; Herrmann, C.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Computational mechanics, 61 (3), 277–295. doi:10.1007/s00466-017-1458-4
The Impact of Pores on Microstructure Evolution: A Phase-Field Study of Pore-Grain Boundary Interaction.
Rehn, V.; Hötzer, J.; Kellner, M.; Seiz, M.; Serr, C.; Rheinheimer, W.; Hoffmann, M. J.; Nestler, B.
2018. High Performance Computing in Science and Engineering ’ 17: Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS) 2017. Ed.: W. Nagel, 485–502, Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-319-68394-2_29
Effective Thermal Conductivity of Composite Materials Based on Open Cell Foams.
August, A.; Reiter, A.; Kneer, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Heat and Mass Transfer Research Journal, 2 (1), 33–45
Perspectives on material modelling: Porous and particle-based microstructures.
Nestler, B.; August, A.; Selzer, M.; Hötzer, J.; Kellner, M.; Prajapati, N.; Rehn, V.; Seiz, M.
2018. Ceramic applications, 6 (1), 73–77
2017
Phasenfeldsimulationen zur Mikrostrukturentwicklung während des Sinterprozesses.
Hölzer, J.; Kellner, M.; Rehn, V.; Seiz, M.; Nestler, B.
2017. Forschung aktuell, 8–12
On the stress calculation within phase-field approaches : a model for finite deformations.
Schneider, D.; Schwab, F.; Schoof, E.; Reiter, A.; Herrmann, C.; Selzer, M.; Böhlke, T.; Nestler, B.
2017. Computational mechanics, 60 (2), 203–217. doi:10.1007/s00466-017-1401-8
2016
Evolution von Mikroporen in Kristallen mit hexagonaler Gitteranisotropie.
Schneider, D.; Langerome, B.; Selzer, M.; Reiter, A.; Nestler, B.
2016. Forschung aktuell, 36–38
Easto-plastic phase-field model accounting for mechanical jump conditions during solid-state phase transformations.
Schneider, D.; Schoof, E.; Reiter, A.; Selzer, M.; Nestler. B.
2016. The 22nd International Symposium on Plasticity and Its Current Applications, Sheraton Kona Resort & Spa Keauhou Bay, Hawaii, 3rd - 9th January 2016
Electric-field-induced lamellar to hexagonally perforated lamellar transition in diblock copolymer thin films: Kinetic pathways.
Mukherjee, A.; Ankit, K.; Reiter, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2016. Physical chemistry, chemical physics, 18 (36), 25609–25620. doi:10.1039/c6cp04903f
2015
Dynamische Lastverteilung auf einem HPC Framework mit nachrichtenbasierter Kommunikation.
Heisler, C.; Hötzer, J.; Maier, M.; Reiter, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. Forschung aktuell, 2015, 16–18
Modellierung und Simulation der Starrkörperbewegung in Rückschlagventilen.
Jainta, M.; Reiter, A.; August, A.; Moik, F.; Nestler, B.
2015. Forschung aktuell, 2015, 13–15