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Institut für Digitale Materialforschung

Forschungssoftware Pace3D

Pace3D (Parallel Algorithms for Crystal Evolution in 3D) ist ein modulares Softwarepaket für großskalige parallele (3D+t) Simulationen von Phasenumwandlungsprozessen und Mikrostrukturausbildungen in mehrkomponentigen, mehrphasigen und polykristallinen Materialsystemen, unter Berücksichtigung multiphysikalischer Einflussgrößen wie Wärme- und Stoffdiffusion, Strömung, Thermo-/Chemo-Mechanik, Elektrochemie und Magnetismus.

Weiterhin enthält das Softwarepaket Pace3D ein umfangreiches Kompendium an Pre- und Postprocessing-Algorithmen sowie Visualisierungsmethoden mit Programmierschnittstellen zur Datenvorbereitung und Datenanalyse der dynamischen Mikrostrukturentwicklung. Die Data-Science-Methoden sind als Workflows kombinierbar und werden in der Forschungsdateninfrastruktur Kadi4Mat unter FAIR-Prinzipien zur nachhaltigen Anwendung zur Verfügung gestellt.
Das Framework wird unter der Verwendung der Versionsverwaltung GIT kontinuierlich weiterentwickelt und enthält diverse Möglichkeiten der Dokumentation für Entwickler und Anwender.

Das Paket beinhaltet:

  • Vorverarbeitungswerkzeuge für die Datenaufbereitung zur Konfiguration von Berechnungen und Gebietsfüllungen
  • Simulationen zur numerischen Lösung der gekoppelten nichtlinearen Evolutionsgleichungen, einschließlich paralleler und adaptiver Gittermethoden sowie Optimierungen von Speicher und Rechenzeit
  • Nachbearbeitungswerkzeuge für Datenanalysen und hochwertige Visualisierungen

Module zur Lösung verschiedener Anwendungen

  • Phasenfeldmodelle für Gefügeausbildungen in mehrkomponentigen und mehrphasigen Materialien
  • CFD-Löser zur Modellierung von Fluidströmungsprozessen, basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen und auf der Lattice-Boltzmann-Methode
  • Festkörpermechanik
  • Mikromagnetismus
  • Elektrische Felder
  • Das große chemische Potential und das große elastische Potential

Weitere Module und Möglichkeiten

  • Implementierung in C, C++ für Linux, ca. 550,000 l.o.c.
  • Simulationen können durch die Verwendung von MPI und OpenMP sequenziell oder parallel auf Hochleistungsrechnern laufen
  • Eine Leistungsoptimierung der Software wird durch adaptive Netze, durch rechenzeit- und speichersparende Algorithmen, durch dynamische Gebietszerlegung und durch Datenkompression erreicht
  • Der Code ist vektorisiert, um performant auf modernen CPUs und XeonPhi-Co-Prozessoren zu laufen
  • Ein Framework für den einfachen Zugriff auf die Vor- und Nachbearbeitungsfunktionen
  • Ein riesiges Paket mit Vor- und Nachbearbeitungsmethoden
  • Integration externer Daten
  • Import und Export verschiedener Dateiformate
  • Eine Bibliothek dient der schnellen Entwicklung neuer Import- und Exportfilter
  • Bereits implementierte Importfilter sind verfügbar für: MD-Daten, kMC, Bild-in-Voxel-Datenkonverter, FEM, experimentelle Daten, z. B. aus der Elektronenrückstreubeugung (EBSD)
  • Import von CAD-Daten mit dem STEP-Dateiformat
  • Kopplung von Materialparameterdatenbanken