We develop a fully-coupled, fully-implicit approach for phase-field modeling of solidification in metals and alloys. Predictive simulation of solidification in pure metals and metal alloys remains a significant challenge in the field of materials science, as microstructure formation during the solidification process plays a critical role in the properties and performance of the solid material. Our simulation approach consists of a finite element spatial discretization of the fully-coupled nonlinear system of partial differential equations at the microscale, which is treated implicitly in time with a preconditioned Jacobian-free Newton-Krylov method. The approach allows time steps larger than those restricted by the traditional explicit CFL limit and is algorithmically scalable as well as efficient due to an effective preconditioning strategy based on algebraic multigrid and block factorization. We implement this approach in the open-source Tusas framework, which is a general, flexible tool developed in C++ for solving coupled systems of nonlinear partial differential equations. The performance of our approach is analyzed in terms of algorithmic scalability and efficiency, while the computational performance of Tusas is presented in terms of parallel scalability and efficiency on emerging heterogeneous architectures. We demonstrate that modern algorithms, discretizations, and computational science, and heterogeneous hardware provide a robust route for predictive phase-field simulation of microstructure evolution during additive manufacturing.


翻译:我们为金属和合金固化的分阶段建模开发了一种完全结合的、完全隐含的方法。纯金属和金属合金固化的预测模拟在材料科学领域仍然是一项重大挑战,因为固化过程中的微结构形成在固化材料的特性和性能方面发挥着关键作用。我们的模拟方法包括将微尺度部分差分方方的完全混合的非线性系统空间分解化,这种系统在时间上被隐含地处理,并有一个先决条件的无雅各布·牛顿-克莱洛夫方法。该方法允许时间步骤大于传统明确的CFL限限限限限限限制的时间步骤,在逻辑上是可伸缩的,而且由于基于升格多格和块因子化的有效先决条件战略,因此具有一定的效率。我们在开放源图萨斯框架中采用了这种方法,这是C+为解决非线性部分异方方方方方方方方方方的组合系统开发的一种普遍、灵活的工具。我们方法的绩效从算缩略性可及效率角度加以分析,而现代的可算性、可扩展性、可变化模型化的模型化结构则展示了我们在不断演化的硬化的模型化阶段中展示了我们所制化的模型的模型。

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