在MOOSE/MARMOT中使用基于模块化自由能的方法与自动微分进行快速多相场模型开发

我们在开源MOOSE有限元框架中展示了一种新颖的相场模型开发能力。该功能基于“模块化自由能”方法，其中相场方程以通用形式实现，与模型特定数据（如热力学自由能密度和迁移率函数）逻辑分离。构成相场模型的自由能项被抽象为自包含对象，可在模拟运行时动态组合。组合多个化学和力学自由能贡献加速了耦合相场、力学和多相模型的构建。这种方法使计算材料科学家能够专注于实现新的材料模型，并重用现有的求解算法和数据处理程序。我们详细讨论的快速相场开发方法的一个关键新方面是自动符号微分能力。自动符号微分用于计算自由能密度泛函的导数，消除了潜在的人为错误来源，同时保证非线性系统雅可比矩阵被精确近似。通过即时编译，我们大大降低了计算微分表达式的开销。该新能力通过多种代表性应用进行了演示。