Однако по мере того, как исследователи пытаются создать все более сложные материалы для удовлетворения все более сложных промышленных потребностей, таких как повышение упругости материалов для высокотемпературных процессов или процессы сжатия, которые влияют на материалы для полета, способность обнаруживать и понимать свойства материалов экспериментально имеет стал дорогостоящим с точки зрения ресурсов, энергии, денег и времени.Группа исследователей под руководством профессора доктора Бритты Нестлер из Технологического института Карлсруэ и Университета прикладных наук Карлсруэ работает на переднем крае современного дизайна материалов, используя вычисления для моделирования новых свойств материалов.
Группа в первую очередь сосредотачивается на материалах, для которых эксперименты неспособны адекватно охарактеризовать и контролировать происхождение их свойств, или где такие эксперименты потребовали бы чрезвычайно много времени, чтобы их можно было эффективно проводить систематическим образом.Нестлер, недавно получившая премию Готфрида Вильгельма Лейбница 2017 года от Немецкого исследовательского фонда, и ее команда с помощью суперкомпьютера Cray XC40 Hazel Hen Штутгартского центра высокопроизводительных вычислений (HLRS) достигли новых высот в своей мультифизике и многомасштабное моделирование и симуляция.Группа Карлсруэ разрабатывает программное обеспечение для параллельного моделирования Pace3D ((Параллельные алгоритмы эволюции кристаллов в 3D) и является давним пользователем ресурсов HLRS, ранее исследуя формирование структуры материала, такое как многофазное направленное затвердевание. Одной из центральных целей команды является вычислительная анализ влияния различных условий плавления на свойства материала и величины микроструктуры.
В недавней статье, опубликованной в Acta Materialia, исследователи подробно описывают полностью трехмерное моделирование сплава алюминий-серебро-медь (Al-Ag-Cu) по мере его затвердевания и сравнивают характеристики микроструктуры с экспериментальными фотографиями. Впервые исследователи использовали комбинацию теории и эксперимента, чтобы вызвать индивидуальные изменения скорости, чтобы спроектировать микроструктуру и, в свою очередь, свойства материала. Команда выбрала Al-Ag-Cu из-за большого количества экспериментальных данных, с которыми можно было сравнить результаты моделирования. Этот метод создает основу для более масштабного моделирования более сложных материалов.
«Благодаря знаниям, которые мы получили в ходе наших недавних прогонов вычислений, у нас есть структура для перехода к технически значимым системам, которые часто имеют экспериментальные трудности», — сказал руководитель группы Йоханнес Хотцер. «Мы решили исследовать микроструктуру Al-Cu-Ag, чтобы показать достоверность модели и возможности сравнения ее с широким диапазоном экспериментальных данных».Изменения скорости затвердеванияМатериаловеды часто стремятся понять пределы материалов — самая высокая температура, при которой может работать смесь, самое высокое давление, которое она может выдержать, среди прочего. Одна интересная тема — понимание свойств эвтектических материалов, состоящих из двух (двойная эвтектика) или трех (тройная эвтектика) отдельных твердых фаз в микроструктурном расположении, которое приводит к самой низкой температуре плавления.
Команда Nestler недавно сосредоточилась на тройной эвтектике с тремя компонентами сплава.Используя Hazel Hen, команда имитирует, как определенные условия процесса, такие как скорость затвердевания или температура обработки, влияют на микроструктуру эвтектического материала. Чтобы вывести корреляции, команде нужны крупномасштабные 3D-вычисления для моделирования репрезентативной выборки микроструктурных паттернов. Перед недавним моделированием, например, команда выдвинула гипотезу, что когда Al-Ag-Cu превращается из жидкости в твердое тело, скорость перехода от кристаллизации играет важную роль в том, как узор микроструктуры разделяется и сливается, а также как длина и ширина волокон, которые впоследствии образуются, влияют на прочность материала при более высоких температурах.
Однако исследователям были доступны только двухмерные экспериментальные данные, что не позволяло им однозначно доказать или опровергнуть свою гипотезу. Экспериментаторам и специалистам по вычислительной технике необходимо было увидеть этот процесс в трехмерном пространстве, и они могли сделать это с помощью суперкомпьютера.Команда создала мультифизический программный пакет Pace3D для включения широкого спектра моделей материалов и реализовала высокооптимизированную версию в сотрудничестве с Университетом Фредриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге, используя вычислительную структуру университета waLBerla (широко применяемую решетку Больцмана из Эрлангена).Этот код разбивает массивные трехмерные модели примерно на 10 000 компьютеризированных кубов, а затем решает различные уравнения физики в каждой ячейке за миллионы временных шагов — каждый шаг находится в диапазоне от 0,1 до 1,0 микросекунды.
Чтобы наблюдать изменения скорости, команда провела серию симуляций с вариациями скорости затвердевания. На каждую симуляцию требуется примерно один день примерно на 10 000 ядер ЦП Hazel Hen.
Экспериментаторы были удивлены результатом. Основываясь на своих 2D-экспериментах, они предположили, что эвтектические микроструктуры быстро росли прямым, в основном однородным образом.
Однако моделирование выявило многие процессы перестройки во время затвердевания и проиллюстрировало, что образцы микроструктуры изменяются медленнее, но на более длинных масштабах, чем предполагалось. Эти результаты были позже подтверждены синхротронной томографией — методом визуализации, который позволяет исследователям изучать свойства материалов на фундаментальном уровне.Индивидуальные микроструктурыТочные результаты моделирования, полученные командой, являются доказательством ее способности моделировать формирование микроструктуры в более сложных и более промышленно значимых материалах в самых разных материалах и физических условиях.
Поскольку эксперименты постоянно усложняются — специалисты из Карлсруэ по компьютерному моделированию материалов интенсивно сотрудничают с экспериментаторами, занимающимися разработкой материалов в условиях невесомости на Международной космической станции, — вычисления будут продолжать играть все более важную роль. Нестлер указал, что эксперименты, подобные тем, что проводились на МКС, чрезвычайно важны, но также дороги и требуют времени на подготовку; Методы суперкомпьютеров помогают исследователям добиться больших успехов в построении диаграмм материалов с конкретными свойствами для конкретных приложений, одновременно снижая стоимость.
Вычисления также позволяют исследователям запускать множество вариантов одного и того же моделирования с очень тонкими различиями — различиями, которые в противном случае потребовали бы десятков индивидуальных экспериментов. «В нашем моделировании мы можем варьировать физические и технологические условия, такие как скорость затвердевания, которые влияют на микроструктуру. Контролируя эти параметры, мы в конечном итоге получаем хорошо спроектированную индивидуальную микроструктуру», — сказал Нестлер.Понимая, как незаметно изменять профили скорости и температуры во время производства сложных материалов, Нестлер указывает, что крупномасштабные параллельные вычисления помогают материаловедам в разработке чрезвычайно хорошо подходящего материала для конкретной задачи.
Эти материалы могут использоваться в воздушных и космических технологиях, а также в промышленных процессах, где материалы подвергаются воздействию чрезвычайно высоких температур или давлений.Например, проводя моделирование сплава никеля, алюминия и хрома-34, команда могла показать, как выравнивание микроструктуры улучшается путем установления контролируемых условий процесса, что приводит к более высокому сопротивлению ползучести, а это означает, что материал не будет деформироваться при механическом или механическом воздействии. температурный стресс.
«Наша главная цель — разработать особые микроструктуры для многокомпонентных сплавов, для ячеистых систем или систем на основе частиц, основанных на их применении», — сказал Нестлер. «Приложение определяет, как должны выглядеть новые материалы или как они должны выдерживать нагрузку, и теперь мы можем спроектировать контролируемым образом конкретную микроструктуру, которая необходима».Эти симуляции были выполнены с использованием Gauss Center for Supercomputing resources, базирующегося в Центре высокопроизводительных вычислений в Штутгарте.