add initial plan
This commit is contained in:
김경종
@@ -1,36 +1,81 @@
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# Project: FESA Harness
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# Project: FESA Structural Solver
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## 목적
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FESA는 Abaqus, Nastran 같은 유한요소법 기반 구조해석 솔버를 C++17/MSVC 환경에서 개발하는 프로젝트다. 현재 우선 대상은 MITC4 4절점 shell element 기반 선형정적 구조해석 기능이다.
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## 기술 스택
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- C++17 이상
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- MSVC on Windows
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- CMake + CTest
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- Harness scripts in Python 3
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- Intel oneAPI MKL: CSR matrix와 PARDISO 선형해법
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- Intel oneAPI TBB: 병렬 요소 계산과 병렬 후처리
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- HDF5 C library: 해석 결과와 reference 결과 저장
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- Python 3: Harness, validation, phase execution, self-test
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## 아키텍처 규칙
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## 기본 개발 워크플로우
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솔버 기능 개발은 아래 순서를 기본으로 한다.
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1. 솔버 기능에 대한 요구조건 정의
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2. 책, 논문 등 연구자료 조사
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3. 코드 구현을 위한 유한요소 정식화
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4. 솔버 입출력 데이터 정의
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5. TDD 방법 사용을 위한 개발 솔버와 reference 솔버 테스트모델 작성
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6. 코드 구현
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7. reference 솔버의 해석 결과와 구현 솔버의 해석 결과 비교 검증
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8. 결과 차이가 tolerance 범위 내에 들어오면 구현 완료
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9. 솔버 기능 배포
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각 단계 산출물은 `docs/requirements/`, `docs/research/`, `docs/formulations/`, `docs/io-definitions/`, `docs/reference-models/`, `docs/implementation-plans/`, `docs/reference-verifications/`, `docs/releases/` 아래에 기록한다.
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## 검증 기준
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- CRITICAL: 기본 검증 경로는 `python scripts/validate_workspace.py`이다.
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- CRITICAL: C++ 빌드는 CMake/MSVC/x64/Debug 기준으로 검증한다.
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- CRITICAL: 새 기능 또는 동작 변경은 테스트를 먼저 작성하고 실패를 확인한 뒤 구현한다.
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- CRITICAL: Abaqus reference artifact나 solver 코드 복원은 명시적으로 요청된 phase에서만 수행한다.
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- Codex custom agent의 `model_reasoning_effort` 기본값은 `extra high`로 둔다.
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- Harness runner는 `scripts/execute.py`에 둔다.
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- Codex hook 정책은 `.codex/hooks/`에 둔다.
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- Harness planning/review instructions are stored in `.codex/skills/`.
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- Generated phase execution outputs remain ignored under `phases/**/step*-output.json`.
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- CRITICAL: C++ production file을 변경할 때는 관련 C++ test file이 같은 변경 또는 기존 코드에 있어야 한다.
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- CRITICAL: Abaqus, Nastran, reference solver는 agent가 직접 실행하지 않는다. 사람이 생성하거나 승인된 절차로 생성한 reference artifact만 사용한다.
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- CRITICAL: 해석 결과 비교 tolerance는 단일 기준 `1e-5`를 사용한다. 각 성분은 `abs(error) <= 1e-5` 또는 `relative(error) <= 1e-5`를 만족해야 한다.
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## 개발 프로세스
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- TDD를 기본으로 한다. C++ production file을 바꿀 때는 관련 C++ test file이 있어야 한다.
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- 커밋 전 hook은 Harness Python self-test와 workspace validation을 실행해야 한다.
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- 커밋 메시지는 conventional commits 형식을 따른다: `feat:`, `fix:`, `docs:`, `refactor:`, `test:`.
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- 계획이 필요한 장기 작업은 Harness phase로 나누고, 각 step은 독립 실행 가능해야 한다.
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## MITC4 초기 구현 범위
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- Feature id: `mitc4-linear-static-shell`
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- Analysis: linear static, small displacement/small rotation
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- Element: 4-node MITC4 shell, 6 DOF per node
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- DOF order: `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`
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- Material/section: single-layer isotropic linear elastic shell section
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- Input: Abaqus `.inp` subset
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- Output: HDF5 result file
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- Reference: stored Abaqus S4R primary reference; Abaqus S4 is diagnostic
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- Required compared quantities: nodal displacement, reaction, element internal force/resultant, stress
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## Architecture Rules
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- OpenSees와 유사하게 `Domain`, `Node`, `Element`, `Material/Section`, `Analysis`, `SystemOfEqn`, `Recorder/ResultWriter` 책임을 분리한다.
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- OpenSees source 구조는 참고하되 raw pointer ownership이나 과도한 inheritance는 복제하지 않는다. FESA는 C++17 RAII와 명확한 ownership을 사용한다.
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- Element 계산, assembly, solver, I/O, reference comparison은 테스트 가능한 작은 모듈로 분리한다.
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- `Domain`은 입력 모델 정의를 보존하고 파싱 이후 가능한 한 불변으로 취급한다.
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- 해석 중 변하는 값은 `AnalysisState`에 둔다. Node/Element/Domain에 solver state나 equation id를 분산 저장하지 않는다.
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- 현재 step의 실행 view는 `AnalysisModel`로 분리한다.
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- Abaqus keyword와 내부 객체 생성은 parser 본체가 아니라 factory/registry 계층으로 분리한다.
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- MKL, TBB, HDF5 직접 호출은 adapter 계층 뒤에 둔다.
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- TBB 병렬화는 deterministic 결과를 유지해야 한다. 전역 조립은 thread-local contribution을 만든 뒤 deterministic merge를 수행한다.
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- MKL PARDISO와 TBB thread oversubscription을 피하기 위해 thread count 정책을 기록한다.
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- HDF5 writer는 HDF5 C API 위에 FESA 내부 RAII wrapper를 둔다.
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- 경계조건은 constrained DOF 제거 방식으로 적용하고, reaction은 full vector 기준 `K_full * U_full - F_full`로 계산한다.
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- 기본 실수 precision은 `double`이고, id/index/equation numbering은 int64 기반으로 설계한다.
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- 단위계는 강제하지 않으며, 결과 부호와 shell output component naming은 Abaqus 규약을 따른다.
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- Mesh quality 진단은 1차 범위에서 제외하지만 singular system 진단은 필수다.
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## 명령어
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```bash
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```powershell
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python -m unittest discover -s scripts -p "test_*.py"
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python scripts/validate_workspace.py
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python scripts/execute.py <phase-dir>
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python scripts/execute.py <phase-dir> --push
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```
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MITC4 CTest 예시:
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```powershell
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ctest --test-dir build/msvc-debug --output-on-failure -C Debug -L mitc4
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```
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## MSVC 검증 기본값
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- Generator: `Visual Studio 17 2022`
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- Platform: `x64`
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@@ -43,3 +88,13 @@ Override variables:
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- `HARNESS_CMAKE_PLATFORM`
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- `HARNESS_CMAKE_CONFIG`
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- `HARNESS_BUILD_DIR`
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- `MKLROOT`
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- `TBBROOT`
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- `HDF5_ROOT`
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- `HDF5_DIR`
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## 커밋 및 문서화
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- 커밋 전 hook은 Harness Python self-test와 workspace validation을 실행해야 한다.
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||||
- 커밋 메시지는 conventional commits 형식을 따른다: `feat:`, `fix:`, `docs:`, `refactor:`, `test:`.
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||||
- 계획이 필요한 장기 작업은 Harness phase로 나누고, 각 step은 독립 실행 가능해야 한다.
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||||
- Generated phase execution outputs remain ignored under `phases/**/step*-output.json`.
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@@ -0,0 +1,313 @@
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||||
# MITC4 Linear Static Shell Solver Initial Implementation Plan
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## Summary
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FESA will implement an initial finite element structural solver feature named `mitc4-linear-static-shell`. The feature reads an Abaqus-style input file, builds an internal finite element model, performs linear static analysis with a MITC4 shell element, writes HDF5 results, and verifies those results against stored Abaqus reference artifacts.
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The implementation must follow the full solver development workflow:
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1. Define solver feature requirements.
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2. Research books, papers, manuals, and related solver implementations.
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3. Write the finite element formulation required for code implementation.
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4. Define solver input and output data contracts.
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5. Create TDD test models for both FESA and the reference solver.
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6. Implement code.
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7. Compare FESA results against reference solver results for nodal displacement, reaction, element internal force, and stress.
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8. Mark implementation complete only when result differences are within tolerance.
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9. Release the solver feature.
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## Scope
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Feature id: `mitc4-linear-static-shell`
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Included:
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- Linear static structural analysis.
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- MITC4 4-node shell element.
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- Six DOF per node: `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`.
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- Single-layer isotropic linear elastic shell section.
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- Abaqus `.inp` subset input.
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- Intel oneAPI MKL CSR/PARDISO sparse linear solve.
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- Intel oneAPI TBB parallel element computation and result recovery.
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- HDF5 solver result output.
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- Stored Abaqus S4R primary reference comparison.
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- Stored Abaqus S4 diagnostic reference comparison.
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Excluded:
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- Nastran BDF input.
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- Nonlinear geometry.
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- Nonlinear material.
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- Dynamic analysis.
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- Buckling/eigenvalue analysis.
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- Composite/layered shell section.
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- Contact.
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- Agent-run Abaqus or Nastran execution.
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- Reference artifact generation by agents.
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- OpenSees API compatibility.
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## Architecture
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Use OpenSees as an architectural reference, not as an API clone. FESA should use modern C++17 ownership and small testable modules.
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Primary conceptual modules:
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- `Domain`: model container for nodes, elements, constraints, loads, materials, sections, and analysis metadata.
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- `Node`: id, coordinates, and six ordered DOFs.
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||||
- `Element`: abstract element behavior for stiffness, internal force, result recovery, and connectivity.
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||||
- `ShellMITC4Element`: four-node MITC4 implementation with 24 element DOFs.
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||||
- `Material/Section`: isotropic elastic shell section with membrane, bending, shear, and stress recovery contract.
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||||
- `Analysis`: linear static analysis driver.
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||||
- `SystemOfEqn`: DOF numbering, constraints, CSR assembly, MKL PARDISO solve.
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||||
- `ResultWriter`: HDF5 output.
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||||
- `ReferenceComparator`: HDF5 reference comparison.
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## Step 1: Requirements Baseline
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Create `docs/requirements/mitc4-linear-static-shell.md`.
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The requirement document must define:
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||||
- analysis type: linear static
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- element type: MITC4 shell
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||||
- DOF order: `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`
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||||
- material: isotropic linear elastic
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||||
- section: uniform shell thickness
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||||
- input: Abaqus `.inp` subset
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||||
- output: HDF5
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||||
- verification quantities: nodal displacement, reaction, element internal force/resultant, stress
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||||
- tolerance: single value `1e-5`
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||||
- pass rule: `abs(error) <= 1e-5` or `relative(error) <= 1e-5`
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Acceptance criteria:
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- Every must requirement has a verification method.
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||||
- Every numerical output requirement has component names and units policy.
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||||
- Reference artifact needs are listed under `references/mitc4-linear-static-shell/`.
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## Step 2: Research Evidence
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Create `docs/research/mitc4-linear-static-shell-research.md`.
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Research must cover:
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- Dvorkin-Bathe continuum mechanics based four-node shell formulation.
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||||
- MITC4 mixed interpolation of tensorial components.
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||||
- Assumed transverse shear strain interpolation and shear locking.
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||||
- OpenSees `ShellMITC4` class structure and resultants.
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||||
- Abaqus S4/S4R behavior as practical reference elements.
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||||
- Patch tests and Scordelis-Lo shell benchmark.
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||||
The research document must separate verified source facts from implementation inference.
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## Step 3: FEM Formulation
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||||
Create `docs/formulations/mitc4-linear-static-shell-formulation.md`.
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The formulation must define:
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- reference coordinates and node ordering.
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||||
- shell midsurface interpolation.
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- director and local coordinate basis policy.
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- six-DOF nodal displacement vector.
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||||
- membrane, bending, transverse shear strain measures.
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||||
- MITC transverse shear tying/interpolation.
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||||
- isotropic shell constitutive matrix.
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||||
- element stiffness expression.
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- 2x2 Gauss integration.
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- drill stiffness policy.
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||||
- stress and resultant recovery.
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- invalid Jacobian and degenerate element checks.
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Default drill stiffness policy:
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- v0 hardcodes `alpha=1`.
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- `Ktt = alpha * min_eigenvalue(D_membrane)`.
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||||
- Input override is deferred to a later phase.
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## Step 4: I/O Contract
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||||
Create `docs/io-definitions/mitc4-linear-static-shell-io.md`.
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Input subset:
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- `*NODE`
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||||
- `*ELEMENT, TYPE=S4`
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||||
- `*ELEMENT, TYPE=S4R`
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||||
- `*MATERIAL`
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||||
- `*ELASTIC`
|
||||
- `*SHELL SECTION`
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||||
- `*BOUNDARY`
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||||
- `*CLOAD`
|
||||
- `*STEP`
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||||
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||||
Output format:
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||||
- HDF5 file.
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||||
- No CSV output is required for this feature.
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Required HDF5 layout:
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```text
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/metadata
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||||
feature_id
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||||
solver_version
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||||
model_id
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||||
units
|
||||
tolerance
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||||
reference_solver
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||||
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||||
/mesh/nodes
|
||||
/mesh/elements/mitc4/connectivity
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||||
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||||
/results/step_000/frame_000/nodal/displacement
|
||||
/results/step_000/frame_000/nodal/reaction
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||||
/results/step_000/frame_000/element/forces
|
||||
/results/step_000/frame_000/element/stress
|
||||
```
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||||
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||||
Required result components:
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||||
- displacement: `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`
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||||
- reaction: `RF1, RF2, RF3, RM1, RM2, RM3`
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||||
- element force/resultant: `N11, N22, N12, M11, M22, M12, Q13, Q23`
|
||||
- stress: `S11, S22, S12, S13, S23`
|
||||
|
||||
## Step 5: TDD Reference Models
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||||
Create `docs/reference-models/mitc4-linear-static-shell-reference-models.md`.
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||||
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||||
Reference policy:
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||||
- FESA agents do not run Abaqus or Nastran.
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||||
- Stored Abaqus S4R HDF5 artifacts are the primary pass/fail reference.
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||||
- Stored Abaqus S4 HDF5 artifacts are diagnostic only.
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||||
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||||
Initial model portfolio:
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||||
- membrane patch
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||||
- bending patch
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||||
- transverse shear patch
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||||
- twist patch
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||||
- coarse Scordelis-Lo shell
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||||
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||||
Each model bundle must include:
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||||
```text
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||||
references/mitc4-linear-static-shell/<model-id>/
|
||||
model.inp
|
||||
metadata.json
|
||||
abaqus_s4r/results.h5
|
||||
abaqus_s4/results.h5
|
||||
README.md
|
||||
```
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||||
|
||||
`metadata.json` must record:
|
||||
- model id
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||||
- source/provenance
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||||
- Abaqus version
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||||
- element type
|
||||
- units
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||||
- output locations
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||||
- tolerance `1e-5`
|
||||
- compared quantities
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||||
- known limitations
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||||
|
||||
## Step 6: Code Implementation Plan
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||||
Create `docs/implementation-plans/mitc4-linear-static-shell-implementation-plan.md`.
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||||
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||||
Implementation must be TDD-first:
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||||
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||||
1. Write failing parser tests.
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||||
2. Implement minimum Abaqus `.inp` parser behavior.
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||||
3. Write failing MITC4 element tests.
|
||||
4. Implement shape functions, Jacobian checks, MITC shear interpolation, stiffness, and recovery.
|
||||
5. Write failing assembly tests.
|
||||
6. Implement DOF numbering, constraint handling, and deterministic CSR assembly.
|
||||
7. Write failing MKL PARDISO solve tests.
|
||||
8. Implement solver wrapper and reaction recovery.
|
||||
9. Write failing TBB deterministic parallel tests.
|
||||
10. Implement TBB parallel element computations with deterministic merge.
|
||||
11. Write failing HDF5 schema tests.
|
||||
12. Implement HDF5 C API RAII wrapper and result writer.
|
||||
13. Write failing reference comparison tests.
|
||||
14. Implement HDF5 reference comparator.
|
||||
15. Run full validation.
|
||||
|
||||
Required validation commands:
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||||
```powershell
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||||
python -m unittest discover -s scripts -p "test_*.py"
|
||||
python scripts/validate_workspace.py
|
||||
ctest --test-dir build/msvc-debug --output-on-failure -C Debug -L mitc4
|
||||
```
|
||||
|
||||
## Step 7: Reference Verification
|
||||
Create `docs/reference-verifications/mitc4-linear-static-shell-reference-verification.md`.
|
||||
|
||||
Comparison inputs:
|
||||
- FESA `results.h5`
|
||||
- stored Abaqus S4R `results.h5`
|
||||
- diagnostic Abaqus S4 `results.h5`
|
||||
- metadata tolerance and schema version
|
||||
|
||||
Compared quantities:
|
||||
- nodal displacement
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||||
- nodal reaction
|
||||
- element internal force/resultant
|
||||
- stress
|
||||
|
||||
Matching rules:
|
||||
- node id for nodal quantities
|
||||
- element id plus Gauss point id for element quantities
|
||||
- component name for scalar comparisons
|
||||
|
||||
Pass rule:
|
||||
```text
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||||
abs(error) <= 1e-5 OR relative(error) <= 1e-5
|
||||
```
|
||||
|
||||
Report:
|
||||
- compared quantity
|
||||
- number of matched rows
|
||||
- missing rows
|
||||
- extra rows
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||||
- maximum absolute error
|
||||
- maximum relative error
|
||||
- worst id
|
||||
- worst component
|
||||
- pass/fail
|
||||
|
||||
## Step 8: Completion Decision
|
||||
Implementation is complete only when:
|
||||
- all required tests pass;
|
||||
- CMake/MSVC/x64/Debug build passes;
|
||||
- all required HDF5 result quantities compare within tolerance `1e-5`;
|
||||
- no required reference artifact is missing;
|
||||
- failures are not hidden as known limitations.
|
||||
|
||||
If comparison fails, classify the failure as one of:
|
||||
- missing reference artifact
|
||||
- schema mismatch
|
||||
- id mismatch
|
||||
- unit or coordinate mismatch
|
||||
- formulation defect
|
||||
- implementation defect
|
||||
- tolerance failure
|
||||
- reference artifact issue
|
||||
|
||||
Then return to the owning workflow step.
|
||||
|
||||
## Step 9: Release
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||||
Create `docs/releases/mitc4-linear-static-shell-release.md`.
|
||||
|
||||
Release document must include:
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||||
- feature id and scope
|
||||
- supported input keywords
|
||||
- supported outputs
|
||||
- dependency versions
|
||||
- test model list
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||||
- reference comparison summary
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||||
- tolerance policy
|
||||
- known limitations
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||||
- validation commands and status
|
||||
|
||||
Release is not approved by build success alone. Release requires reference comparison success and documented limitations.
|
||||
|
||||
## Dependency Plan
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||||
MKL:
|
||||
- Use oneAPI MKL through `MKLROOT` or known oneAPI path.
|
||||
- Use CSR matrix storage and PARDISO for the global linear system.
|
||||
|
||||
TBB:
|
||||
- Use oneAPI TBB through `TBBROOT` or known oneAPI path.
|
||||
- Parallelize element-local stiffness and result recovery.
|
||||
- Use deterministic merge for global assembly.
|
||||
|
||||
HDF5:
|
||||
- FESA provides an internal RAII wrapper around the HDF5 C API.
|
||||
- The HDF5 C library itself must be supplied through `HDF5_ROOT` or `HDF5_DIR`.
|
||||
- HDF5 is required for solver output and reference comparison.
|
||||
|
||||
## Assumptions
|
||||
- Abaqus reference artifacts are generated outside the agent workflow.
|
||||
- S4R is the primary reference for pass/fail.
|
||||
- S4 is diagnostic and does not determine pass/fail.
|
||||
- The single tolerance value is `1e-5`.
|
||||
- The initial implementation prioritizes correctness and traceability over broad element coverage.
|
||||
+91
-19
@@ -1,34 +1,106 @@
|
||||
# Architecture Decision Records
|
||||
|
||||
## 철학
|
||||
Harness는 현재 프로젝트의 실제 기술 스택을 반영해야 한다. C++/MSVC 프로젝트에서 npm, Next.js, TypeScript test naming을 기본값으로 두면 agent prompt와 hook policy가 잘못된 구현을 유도한다.
|
||||
## ADR-001: Solver Development Workflow Is Stage-Gated
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||||
**Decision**: FESA solver features must follow this workflow: requirements, research, formulation, I/O contract, TDD reference models, implementation, reference comparison, tolerance decision, release.
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**Reason**: Structural solver correctness depends on more than code execution. Requirements, mathematical formulation, input/output contracts, reference artifacts, numerical comparison, and release evidence must be traceable.
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### ADR-001: C++ 전용 Harness
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**결정**: Harness scaffold는 C++/MSVC 전용으로 운영한다. JavaScript/TypeScript fallback은 유지하지 않는다.
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**Tradeoff**: Initial feature delivery is slower. The benefit is that implementation agents do not invent formulation, tolerance, or reference assumptions during coding.
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**이유**: FESA 개발 환경은 MSVC 기반 C++이다. 언어별 fallback을 남기면 validation, TDD guard, acceptance criteria가 흐려진다.
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## ADR-002: C++17/MSVC/CMake/CTest Remain The Baseline
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**Decision**: The project targets C++17 or newer, MSVC on Windows, CMake, and CTest. Default validation uses Visual Studio 17 2022, x64, Debug.
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**트레이드오프**: 같은 Harness scaffold를 JS/TS 프로젝트에 재사용할 수 없다. 필요하면 별도 template이나 language registry를 새 ADR로 설계한다.
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**Reason**: The project is a Windows/MSVC structural solver. CMake/CTest gives a consistent build and test entry point for both harness validation and feature development.
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### ADR-002: CMake/MSVC/x64/Debug 기본 검증
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**결정**: 기본 workspace validation은 CMake, Visual Studio 17 2022 generator, x64 platform, Debug config, CTest로 수행한다.
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**Tradeoff**: Visual Studio solution-only workflows and non-MSVC toolchains are not the primary path. They can be introduced by explicit ADR when needed.
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**이유**: MSVC 환경에서 CMake/CTest는 source tree가 복원되거나 새 C++ project가 추가될 때 가장 일관된 build/test entry point다.
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## ADR-003: MITC4 Linear Static Shell Is The Initial Solver Feature
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**Decision**: The first solver implementation target is `mitc4-linear-static-shell`: a 4-node MITC4 shell element for linear static structural analysis.
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**트레이드오프**: Visual Studio solution-only project는 기본 지원하지 않는다. 명시적으로 필요하면 `HARNESS_VALIDATION_COMMANDS`로 override한다.
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**Reason**: MITC4 is a meaningful shell element target with strong research and OpenSees reference structure. It exercises element formulation, assembly, solver, I/O, and reference verification without immediately requiring nonlinear or dynamic analysis.
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### ADR-003: 엄격한 C++ TDD Guard
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**결정**: C++ production file 변경은 관련 C++ test file이 없으면 차단한다.
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**Tradeoff**: This is more complex than a truss/bar bootstrap. The project accepts the complexity because MITC4 is the requested initial element.
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**이유**: Harness의 핵심 목적은 agent가 검증 없는 C++ 변경을 만들지 않도록 하는 것이다. Header 중심 C++ 구조에서도 module 또는 basename 기반 테스트 존재를 확인한다.
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## ADR-004: OpenSees-Inspired Architecture, Modern C++ Ownership
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**Decision**: FESA follows OpenSees-like conceptual boundaries: `Domain`, `Node`, `Element`, `Material/Section`, `Analysis`, `SystemOfEqn`, and `Recorder/ResultWriter`. It does not clone OpenSees raw ownership style.
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**트레이드오프**: 초기 scaffolding 작업에서 guard가 엄격하게 느껴질 수 있다. 문서, CMake 설정, Harness metadata는 guard 대상에서 제외한다.
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**Reason**: OpenSees provides a useful solver architecture vocabulary, while modern C++17 RAII gives safer ownership and testable module boundaries.
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### ADR-004: Harness 자체 테스트 우선
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**결정**: commit hook은 먼저 Python Harness self-test를 실행한 뒤 workspace validation을 실행한다.
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**Tradeoff**: FESA classes will not be drop-in compatible with OpenSees. Similarity is architectural, not API compatibility.
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**이유**: 현재 저장소에는 C++ source tree가 없을 수 있다. Harness가 스스로 검증 가능해야 이후 phase generation과 source restoration을 안전하게 진행할 수 있다.
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## ADR-005: MKL PARDISO For Global Linear Solves
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**Decision**: FESA uses Intel oneAPI MKL CSR matrices and PARDISO for the initial global linear static solve.
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**트레이드오프**: commit 시간이 조금 늘어난다. 대신 hook/validation regressions를 빠르게 잡는다.
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**Reason**: Shell models need sparse linear algebra beyond toy dense solvers. MKL is already aligned with the Windows/MSVC toolchain and provides production-grade direct sparse solving.
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**Tradeoff**: oneAPI MKL becomes a required dependency for real solver builds. The CMake configuration must detect `MKLROOT` or a known oneAPI installation path.
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## ADR-006: TBB For Parallel Element Work
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**Decision**: FESA uses Intel oneAPI TBB for parallel element stiffness, residual/result recovery, and other embarrassingly parallel solver phases.
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**Reason**: Element-level computation is a natural parallelism boundary. TBB integrates with oneAPI and avoids designing a custom thread pool.
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**Tradeoff**: Global assembly must be deterministic. FESA will use thread-local contribution buffers and deterministic merge rather than concurrent writes into global CSR arrays.
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## ADR-007: HDF5 For Solver And Reference Results
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**Decision**: FESA writes solver results to HDF5 and compares against stored HDF5 reference artifacts.
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**Reason**: Shell results contain structured mesh, step/frame, nodal, element, Gauss point, resultant, stress, metadata, and tolerance data. HDF5 is better suited than flat CSV for this result hierarchy.
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**Tradeoff**: HDF5 becomes a required dependency. FESA will provide an internal RAII wrapper over the HDF5 C API, but the actual HDF5 C library must be supplied by `HDF5_ROOT` or `HDF5_DIR`.
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## ADR-008: Single Tolerance Policy
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**Decision**: Reference comparison uses a single tolerance value `1e-5`. A compared scalar passes when absolute error or relative error is within `1e-5`.
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**Reason**: A single tolerance policy is simple, explicit, and matches the current project decision.
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**Tradeoff**: Quantity-specific scaling is deferred. If future models show that one global tolerance is too strict or too loose for some quantities, a new ADR must revise this policy.
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## ADR-009: Agents Do Not Run Reference Solvers
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**Decision**: Abaqus, Nastran, and other reference solvers are not run by agents. Agents only consume stored reference artifacts.
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**Reason**: Reference solver execution requires licensing, environment control, provenance, and human approval. Stored artifacts make validation reproducible inside the harness.
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**Tradeoff**: Implementation can be blocked until required reference artifacts are supplied.
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## ADR-010: Domain, AnalysisModel, And AnalysisState Are Separate
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**Decision**: `Domain` owns parsed model definition, `AnalysisModel` owns the active step execution view, and `AnalysisState` owns mutable solution and iteration state.
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**Reason**: This prevents equation ids, displacement vectors, residuals, and future nonlinear/time states from leaking into input model objects. It also keeps the static solver compatible with future nonlinear, dynamic, and thermal workflows.
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**Tradeoff**: The initial implementation has more object boundaries than a single monolithic model container.
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## ADR-011: Factory/Registry Handles Input Object Creation
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**Decision**: Abaqus keyword parsing and internal object creation are separated through factory/registry mechanisms.
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**Reason**: Adding elements, materials, loads, boundary conditions, sets, or properties should not require rewriting parser control flow.
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**Tradeoff**: The first parser implementation needs a small registry layer before many object types exist.
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## ADR-012: Boundary Conditions Use DOF Elimination
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**Decision**: Essential boundary conditions are applied by constrained DOF elimination. Reactions are recovered from the full system as `K_full * U_full - F_full`.
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**Reason**: This gives a clear reduced solve while preserving physically meaningful reaction recovery for reference comparison.
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**Tradeoff**: The implementation must preserve enough full-system information for reaction recovery instead of only storing the reduced matrix.
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## ADR-013: Results Use Step/Frame/Field/History Model
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**Decision**: HDF5 results are organized by step, frame, field output, and history output.
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**Reason**: The same result model can support static, nonlinear, dynamic, heat-transfer, and thermal-stress analyses.
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**Tradeoff**: The v0 linear static output is more structured than a flat single-step result file.
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## ADR-014: Double Precision And 64-Bit Numbering
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**Decision**: Solver scalar calculations use `double`; ids, sparse indices, and equation numbering are designed around int64 boundaries.
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**Reason**: Structural solver verification needs double precision, and large sparse systems should not be blocked by 32-bit numbering assumptions.
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**Tradeoff**: Memory use may be higher than a 32-bit-only implementation.
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## ADR-015: Units Are User-Consistent, Not Enforced
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**Decision**: FESA does not enforce a unit system. Inputs and reference artifacts must be unit-consistent and record units in metadata.
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**Reason**: Abaqus-style workflows commonly rely on user-consistent units.
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**Tradeoff**: The solver cannot automatically detect every unit mismatch. Reference metadata and validation reports must make unit assumptions visible.
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+294
-44
@@ -1,58 +1,308 @@
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# 아키텍처
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# FESA Solver Architecture
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## 목표
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이 저장소의 현재 책임은 C++/MSVC 프로젝트를 위한 Codex Harness scaffold를 제공하는 것이다. Harness는 phase execution, edit guard, commit validation, workspace validation을 분리해서 관리한다.
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FESA는 C++17/MSVC 기반 유한요소 구조해석 솔버다. 초기 구현은 MITC4 4절점 shell element의 선형정적 해석이며, 이후 비선형 정적해석, 비선형 동적해석, 열전달 및 thermal-stress coupling, 1D/3D 요소로 확장한다.
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## 디렉토리 구조
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초기 구현은 정확도와 테스트 가능성을 우선한다. 단, 대규모 모델을 목표로 하므로 자유도 관리, 희소 행렬 조립, 선형 솔버, 병렬 실행 계층은 초기부터 성능 확장이 가능하도록 분리한다.
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## 개발 프로세스 구조
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```text
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.codex/
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├── hooks/ # Codex hook scripts
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└── skills/ # Harness planning/review instructions
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docs/ # Project and Harness guidance
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scripts/
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├── execute.py # Phase step executor
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├── validate_workspace.py
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└── test_*.py # Harness self-tests
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phases/ # Optional generated phase plans
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Feature request
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-> requirements
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-> research evidence
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-> FEM formulation
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-> I/O contract
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-> reference model and artifact contract
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-> TDD implementation plan
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-> C++ implementation
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-> build/test validation
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-> HDF5 reference comparison
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-> physics/release review
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```
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## 데이터 흐름
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## 설계 원칙
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- `Domain`은 입력 모델의 의미를 보존하고 파싱 이후 가능한 한 불변에 가깝게 유지한다.
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- 해석 중 변하는 물리량과 반복 상태는 `AnalysisState`에 명시적으로 분리한다.
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||||
- 현재 step에서 활성화되는 실행 view는 `AnalysisModel`이 담당하며, `Domain`을 복사하지 않는다.
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- 요소, 재료, 하중, 경계조건, 해석 알고리즘은 런타임 다형성 기반으로 확장한다.
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||||
- 결과는 step/frame/field/history 개념으로 저장하여 정적, 비선형, 동적, 열전달 해석을 같은 결과 모델로 다룬다.
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- 외부 라이브러리인 MKL, TBB, HDF5는 adapter 계층 뒤에 둔다.
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||||
- Abaqus input 호환성은 parser와 factory/registry 계층에서 관리한다.
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||||
- shell node는 6자유도이고, 결과 자유도 순서는 `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`이다.
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||||
- 단위계는 강제하지 않는다. 입력과 reference artifact metadata에 기록된 일관 단위계를 그대로 사용한다.
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||||
- 결과 부호와 shell output component naming은 Abaqus 규약을 따른다.
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||||
- 경계조건은 constrained DOF 제거 방식으로 적용하고, reaction은 full vector 기준 `K_full * U_full - F_full`로 계산한다.
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||||
- 기본 실수 precision은 `double`이다.
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||||
- 대규모 모델을 위해 id, index, equation numbering은 int64 기반으로 설계한다.
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||||
- Mesh quality 진단은 1차 범위에서 제외한다. 대신 singular system 진단은 필수로 제공한다.
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## Directory Structure
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```text
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User-approved task
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-> Harness phase files under phases/
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-> scripts/execute.py injects AGENTS.md and docs/*.md
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-> Codex executes one step at a time
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-> step updates phases/{phase}/index.json
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-> validation runs through scripts/validate_workspace.py
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include/fesa/
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analysis/ # Static, nonlinear static, dynamic, heat transfer analysis interfaces
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assembly/ # Global matrix/vector assembly and sparse pattern creation
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boundary/ # Fix, RBE2, RBE3 and future constraint objects
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core/ # Domain, AnalysisModel, AnalysisState, DofManager
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||||
element/ # Node, Element, MITC4 and future elements
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||||
io/ # Abaqus input parser and HDF5 result writer
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load/ # NodalLoad, PressureLoad, BodyForce
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||||
math/ # Vector, Matrix, SparseMatrix, MKL adapter
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material/ # LinearElastic and future material models
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property/ # ShellProperty and 1D/2D/3D properties
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results/ # ResultStep, ResultFrame, FieldOutput, HistoryOutput
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||||
util/ # Diagnostics, logging, validation helpers
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||||
verification/ # HDF5 reference comparison utilities
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||||
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||||
src/
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||||
analysis/
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||||
assembly/
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||||
boundary/
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||||
core/
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element/
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io/
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load/
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math/
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||||
material/
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||||
property/
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results/
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||||
util/
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||||
verification/
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||||
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||||
tests/
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||||
parser/
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||||
element/
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||||
assembly/
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||||
solver/
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||||
hdf5/
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||||
reference/
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||||
```
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||||
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## Hook 흐름
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||||
```text
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||||
apply_patch/Edit/Write
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||||
-> .codex/hooks/tdd-guard.py
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||||
-> C++ production changes require related tests
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||||
The current repository may not yet contain all directories. They are intended ownership boundaries for implementation planning.
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||||
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||||
git commit command
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||||
-> .codex/hooks/pre_commit_checks.py
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||||
-> Python Harness self-tests
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||||
-> scripts/validate_workspace.py
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||||
## Core Runtime Objects
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||||
- `Domain`: owns model definitions from input: nodes, elements, materials, properties, sets, boundary conditions, loads, and step definitions.
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||||
- `AnalysisModel`: step-local execution view over active elements, loads, boundary conditions, properties, materials, and equation system view.
|
||||
- `AnalysisState`: owns changing physical quantities and iteration/time state such as displacement, velocity, acceleration, temperature, forces, residual, current time, increment, and element/integration-point state.
|
||||
- `Node`: stores node id, coordinates, and six DOF values in order `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`.
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||||
- `Element`: computes local stiffness, internal force/resultants, stress recovery, and connectivity.
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||||
- `ShellMITC4Element`: 4 nodes, 24 DOF, 2x2 Gauss integration, MITC transverse shear interpolation.
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||||
- `Material`: base contract for material behavior.
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||||
- `Property`: element property and section data, including shell thickness.
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||||
- `LinearElasticShellSection`: isotropic elastic shell section with thickness and shear correction.
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||||
- `DofManager`: active DOF definitions, constrained/free DOF mapping, equation numbering, sparse pattern ownership, and full/reduced vector reconstruction.
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||||
- `Assembler`: gathers element contributions into deterministic global sparse data.
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||||
- `SparseMatrix`: internal sparse matrix abstraction backed by MKL-compatible CSR for v0.
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||||
- `LinearSolver`: solver interface implemented initially by `MklPardisoSolver`.
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||||
- `Analysis`: strategy interface for `LinearStaticAnalysis` and future nonlinear/dynamic/thermal analyses.
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||||
- `Hdf5ResultWriter`: writes mesh, metadata, nodal results, element resultants, stresses, field output, and history output.
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||||
- `ReferenceComparator`: compares FESA HDF5 output with stored reference HDF5 artifacts using tolerance `1e-5`.
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## State Ownership
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### Domain
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`Domain` represents parsed model definition and should not store equation ids, solver vectors, current displacement, or iteration state.
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Included:
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- nodes and elements
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- materials and properties
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- node sets and element sets
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- loads and boundary conditions
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||||
- analysis step definitions
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### AnalysisModel
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`AnalysisModel` is built per active step. It references `Domain` objects by id or stable reference and defines what participates in the current solve.
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||||
Included:
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||||
- active elements
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||||
- active loads
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||||
- active boundary conditions
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||||
- active property/material references
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||||
- current equation system view
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||||
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### DofManager
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||||
`DofManager` centralizes all equation numbering. Node or Element objects must not independently own equation ids.
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||||
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||||
Responsibilities:
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- define active node DOFs
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- map constrained and free DOFs
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||||
- assign equation numbers
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||||
- provide connectivity for sparse matrix pattern generation
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||||
- reconstruct full vectors from reduced solution vectors
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||||
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||||
### AnalysisState
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||||
`AnalysisState` stores mutable quantities and future nonlinear/time history extension points.
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||||
|
||||
Included:
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- displacement, velocity, acceleration
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||||
- temperature
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||||
- external force, internal force, residual
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||||
- current time, increment, Newton iteration
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||||
- element state and integration point state
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||||
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||||
Phase 1 uses displacement-centered state only, but the structure must not block geometric nonlinear and thermal-stress extensions.
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||||
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||||
### Results State
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||||
Results use:
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||||
- `ResultStep`: analysis step result group
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||||
- `ResultFrame`: static load increment or dynamic time frame
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||||
- `FieldOutput`: node/element field results
|
||||
- `HistoryOutput`: selected node, element, set, reaction, or energy histories
|
||||
|
||||
## Data Flow
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||||
```text
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||||
Abaqus input file
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||||
-> InputParser
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||||
-> Factory/Registry object creation
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||||
-> Domain
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||||
-> StepDefinition loop
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||||
-> AnalysisModel
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||||
-> DofManager
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||||
-> sparse pattern creation
|
||||
-> TBB parallel element stiffness computation
|
||||
-> deterministic CSR assembly
|
||||
-> constrained DOF elimination
|
||||
-> MKL PARDISO solve
|
||||
-> full displacement vector reconstruction
|
||||
-> reaction recovery by K_full * U_full - F_full
|
||||
-> TBB parallel element result recovery
|
||||
-> HDF5 step/frame/field/history output
|
||||
-> HDF5 reference comparison
|
||||
```
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||||
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||||
## Validation 흐름
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||||
## Patterns
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||||
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||||
### Strategy
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||||
Used for swappable analysis and numerical algorithms:
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||||
- `Analysis`: `LinearStaticAnalysis`, `NonlinearStaticAnalysis`, `DynamicAnalysis`, `HeatTransferAnalysis`
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||||
- `LinearSolver`: `MklPardisoSolver`, future iterative solver
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||||
- `TimeIntegrator`: future Newmark/HHT
|
||||
- `ConvergenceCriteria`: future residual, displacement, and energy norms
|
||||
|
||||
### Template Method
|
||||
`Analysis::run()` owns the high-level execution order:
|
||||
```text
|
||||
HARNESS_VALIDATION_COMMANDS set
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||||
-> run exact commands
|
||||
|
||||
CMakePresets.json has msvc-debug configure preset
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||||
-> cmake --preset msvc-debug
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||||
-> cmake --build preset binary dir --config Debug
|
||||
-> ctest --test-dir preset binary dir -C Debug
|
||||
|
||||
CMakeLists.txt exists
|
||||
-> cmake -S . -B build/msvc-debug -G "Visual Studio 17 2022" -A x64
|
||||
-> cmake --build build/msvc-debug --config Debug
|
||||
-> ctest --test-dir build/msvc-debug --output-on-failure -C Debug
|
||||
|
||||
No CMake project
|
||||
-> print guidance and exit successfully
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||||
initialize
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||||
buildAnalysisModel
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||||
buildDofMap
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||||
buildSparsePattern
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||||
assemble
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||||
applyBoundaryConditions
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||||
solve
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||||
updateState
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||||
writeResults
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||||
```
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||||
|
||||
Nonlinear static analysis will reuse this sequence inside Newton-Raphson loops. Dynamic analysis will reuse it inside time step/frame loops.
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||||
|
||||
### Factory + Registry
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||||
Abaqus input keywords map to internal object factories:
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||||
- `*ELEMENT, TYPE=S4` -> `MITC4ElementFactory`
|
||||
- `*ELEMENT, TYPE=S4R` -> `MITC4ElementFactory`
|
||||
- `*MATERIAL`, `*ELASTIC` -> `LinearElasticMaterialFactory`
|
||||
- `*SHELL SECTION` -> `ShellPropertyFactory`
|
||||
- `*BOUNDARY` -> `FixBoundaryFactory`
|
||||
- `*CLOAD` -> `NodalLoadFactory`
|
||||
- `*NSET`, `*ELSET` -> set registry
|
||||
|
||||
Adding an element, material, load, or boundary condition should not require rewriting the parser core.
|
||||
|
||||
### Adapter
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||||
MKL, TBB, and HDF5 APIs are not exposed directly to solver core objects.
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||||
|
||||
Adapter targets:
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||||
- `SparseMatrix`, `Vector`, `Matrix`
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||||
- `LinearSolver`
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||||
- `ParallelFor`
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||||
- `ResultsWriter`
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||||
|
||||
This allows test doubles and future dependency replacement without changing solver physics code.
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||||
|
||||
### Runtime Polymorphism
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||||
Elements, materials, loads, and boundary conditions are handled through base interfaces. Phase 1 prioritizes clarity and testability. If large-model performance requires it later, assembly internals may add type-specific batch kernels.
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||||
|
||||
## MITC4 Result Contract
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||||
Nodal displacement output:
|
||||
```text
|
||||
node_id, U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3
|
||||
```
|
||||
|
||||
Nodal reaction output:
|
||||
```text
|
||||
node_id, RF1, RF2, RF3, RM1, RM2, RM3
|
||||
```
|
||||
|
||||
Element internal force/resultant output at Gauss points:
|
||||
```text
|
||||
element_id, gauss_id, xi, eta, N11, N22, N12, M11, M22, M12, Q13, Q23
|
||||
```
|
||||
|
||||
Stress output:
|
||||
```text
|
||||
element_id, gauss_id, section_point, S11, S22, S12, S13, S23
|
||||
```
|
||||
|
||||
## HDF5 Layout
|
||||
```text
|
||||
/metadata
|
||||
feature_id
|
||||
solver_version
|
||||
model_id
|
||||
units
|
||||
tolerance
|
||||
reference_solver
|
||||
|
||||
/mesh/nodes
|
||||
/mesh/elements/mitc4/connectivity
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||||
|
||||
/results/step_000/frame_000/nodal/displacement
|
||||
/results/step_000/frame_000/nodal/reaction
|
||||
/results/step_000/frame_000/element/forces
|
||||
/results/step_000/frame_000/element/stress
|
||||
/results/step_000/frame_000/history
|
||||
```
|
||||
|
||||
## Parallelism And Sparse Assembly
|
||||
TBB parallelism is allowed for element-local computations, element force recovery, assembly precompute, and independent postprocessing.
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||||
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||||
Global assembly must remain deterministic:
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||||
```text
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||||
parallel element loop
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||||
-> thread-local sparse contribution buffers
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||||
-> stable sort by (row, column)
|
||||
-> deterministic sum
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||||
-> CSR arrays
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||||
```
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||||
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||||
The sparse matrix path must preserve 64-bit index boundaries so MKL `pardiso_64` can be used for large models.
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||||
|
||||
The solver must avoid uncontrolled MKL/TBB oversubscription. Thread-count decisions are part of analysis metadata and validation reports.
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||||
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||||
## Validation Flow
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||||
```text
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||||
python scripts/validate_workspace.py
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||||
-> CMake configure
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||||
-> MSVC Debug build
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||||
-> CTest
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||||
-> feature-specific reference comparison tests
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||||
```
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||||
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||||
When no CMake project exists yet, validation may report the harness no-op path. Once solver code is introduced, CMake/CTest validation is mandatory.
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||||
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||||
## Reference Artifact Flow
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||||
Agents do not run Abaqus or Nastran.
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||||
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||||
```text
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||||
Human-approved Abaqus run
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||||
-> stored HDF5 reference artifact under references/<feature>/<model-id>/
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||||
-> FESA solver HDF5 output
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||||
-> ReferenceComparator
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||||
-> pass/fail using abs-or-rel 1e-5
|
||||
```
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||||
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||||
For `mitc4-linear-static-shell`, Abaqus S4R is primary and S4 is diagnostic.
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||||
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||||
## Performance Extension Direction
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||||
- Sparse matrix storage is the default global system representation.
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||||
- MKL direct solver is the first supported solver, but `LinearSolver` must allow future iterative solvers.
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||||
- Element stiffness and result recovery should be designed for type-specific batch kernels later, but not optimized before correctness evidence exists.
|
||||
- MITC4 formulation should remain clear and reviewable until patch and reference comparisons pass.
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||||
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||||
+97
-15
@@ -1,22 +1,104 @@
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||||
# PRD: C++/MSVC Harness
|
||||
# PRD: FESA MITC4 Linear Static Shell Solver
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||||
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||||
## 목표
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||||
Codex Harness가 C++/MSVC 프로젝트에서 phase planning, TDD guard, commit validation, workspace validation을 일관되게 수행하게 한다.
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## 목적
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||||
FESA는 유한요소 input 파일을 읽어 구조해석을 수행하고, 절점과 요소의 해석 결과를 출력하는 C++ 구조해석 솔버를 제공한다. 초기 제품 기능은 MITC4 4절점 shell element 기반 선형정적 해석이다.
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||||
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||||
## 사용자
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||||
- Windows/MSVC 기반 C++ 개발자
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||||
- Harness phase를 작성하고 실행하는 Codex agent
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||||
- Harness 결과를 검토하는 reviewer
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||||
- 구조해석 솔버를 개발하는 C++/MSVC 개발자
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||||
- Abaqus/Nastran 계열 input과 결과 검증 방식을 이해하는 해석 엔지니어
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||||
- reference solver 결과와 FESA 결과를 비교해 기능 release를 판단하는 reviewer
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||||
- Codex/FESA agent workflow로 기능을 단계별 구현하는 agent
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||||
|
||||
## 문제 정의
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||||
구조해석 솔버는 단순히 코드를 빌드하는 것만으로 정확성을 판단할 수 없다. 요소 정식화, 입력 mapping, 선형해법, 결과 출력, reference solver 비교, tolerance 판정이 모두 명시되어야 한다. FESA는 이 과정을 문서화된 단계와 자동 검증으로 묶어 구현 실수를 줄인다.
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||||
|
||||
## 핵심 기능
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||||
1. CMake/MSVC/x64/Debug 기반 workspace validation
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||||
2. C++ source/header 변경에 대한 엄격한 TDD guard
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||||
3. npm 없이 Python self-test와 CMake/CTest 검증을 수행하는 pre-commit hook
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||||
4. C++ 프로젝트에 맞는 Harness workflow/review prompt
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||||
5. CMake project가 아직 없어도 Harness 자체 테스트가 가능한 no-op validation path
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||||
1. Abaqus `.inp` subset 입력
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||||
- `*NODE`, `*ELEMENT`, `*MATERIAL`, `*ELASTIC`, `*SHELL SECTION`, `*BOUNDARY`, `*CLOAD`, `*STEP` 지원
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||||
- unsupported keyword는 명시적 diagnostic을 낸다.
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||||
2. MITC4 shell 선형정적 해석
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||||
- 4-node quadrilateral shell
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||||
- 6 DOF per node: `U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3`
|
||||
- isotropic linear elastic shell section
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||||
- 2x2 Gauss integration
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||||
- membrane, bending, transverse shear resultants
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||||
3. Sparse system solve
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||||
- CSR global stiffness assembly
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||||
- Intel oneAPI MKL PARDISO direct solver
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||||
- constrained DOF 처리와 reaction recovery
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||||
4. Parallel computation
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||||
- Intel oneAPI TBB 기반 element stiffness/result recovery 병렬화
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||||
- deterministic assembly merge
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||||
5. HDF5 result output
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||||
- mesh metadata
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||||
- nodal displacement
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||||
- nodal reaction
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||||
- element internal force/resultant
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||||
- element stress
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||||
6. Reference solver verification
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||||
- stored Abaqus S4R reference HDF5 artifact와 비교
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||||
- Abaqus S4 artifact는 diagnostic reference로 보관
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||||
- nodal displacement, reaction, element internal force, stress 비교
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||||
- tolerance `1e-5` 단일 기준
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||||
7. Solver state and result model
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||||
- `Domain`, `AnalysisModel`, `AnalysisState` 분리
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||||
- step/frame/field/history HDF5 결과 구조
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||||
- constrained DOF 제거와 full-system reaction recovery
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||||
8. Extensible object creation
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||||
- Abaqus parser와 element/material/load/boundary factory registry 분리
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||||
- 향후 1D/3D 요소, nonlinear, dynamic, thermal 기능 추가를 위한 module boundary 유지
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||||
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||||
## 성공 기준
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||||
- MITC4 요구조건, 연구, 정식화, I/O, reference model, 구현 계획, reference verification, release 문서가 작성되어 있다.
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||||
- 모든 C++ production 변경은 관련 테스트가 먼저 작성되고 실패가 확인된 뒤 구현된다.
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||||
- MSVC x64 Debug CMake build와 CTest가 통과한다.
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||||
- 다음 테스트모델이 stored Abaqus S4R reference와 `abs-or-rel 1e-5` 이내로 일치한다.
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||||
- membrane patch
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||||
- bending patch
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||||
- transverse shear patch
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||||
- twist patch
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||||
- coarse Scordelis-Lo shell
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||||
- HDF5 output schema가 reference comparison에 필요한 모든 id, component, step/frame, units, metadata를 포함한다.
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||||
- Essential boundary condition reaction은 `K_full * U_full - F_full` 기준으로 계산되어 reference reaction과 비교 가능하다.
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||||
- Singular system 또는 solver factorization 실패는 명시적 diagnostic으로 보고된다.
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||||
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||||
## 제외 사항
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||||
- 이전 FESA solver source tree 복원
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||||
- JavaScript/TypeScript fallback 유지
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||||
- Abaqus reference artifact 생성 또는 solver reference 비교 구현
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||||
- Visual Studio `.sln`/`.vcxproj` 전용 MSBuild workflow
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||||
- Nastran BDF parser
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||||
- nonlinear static analysis
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||||
- geometric nonlinearity
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||||
- dynamic analysis
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||||
- eigen/buckling analysis
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||||
- material plasticity
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||||
- layered composite shell section
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||||
- contact analysis
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||||
- Abaqus/Nastran 실행 자동화
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||||
- reference artifact 자동 생성
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||||
- OpenSees API 호환성
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||||
- Phase 1 mesh quality scoring
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||||
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||||
## 확장 로드맵
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||||
MITC4 선형정적 기능이 reference 검증을 통과한 뒤 다음 기능을 별도 요구조건과 정식화 문서로 진행한다.
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||||
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||||
1. nonlinear static analysis
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||||
2. nonlinear dynamic analysis
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||||
3. heat transfer and thermal-stress coupling
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||||
4. 1D truss/beam and 3D solid elements
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||||
5. additional material models and properties
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||||
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||||
## Dependency Requirements
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||||
- MSVC and CMake must be available for C++ build validation.
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||||
- Intel oneAPI MKL must be available through `MKLROOT` or known oneAPI installation paths.
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||||
- Intel oneAPI TBB must be available through `TBBROOT` or known oneAPI installation paths.
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||||
- HDF5 C library must be supplied through `HDF5_ROOT` or `HDF5_DIR`.
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||||
- Python 3 must be available for harness validation and phase execution.
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||||
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||||
## Release Requirements
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||||
Solver feature release is allowed only when:
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||||
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||||
1. Requirements are approved.
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||||
2. Research evidence and formulation are reviewed.
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||||
3. I/O contract and HDF5 schema are fixed.
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||||
4. Reference model artifacts exist and provenance is documented.
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||||
5. C++ TDD implementation passes CTest.
|
||||
6. Reference comparison passes tolerance `1e-5`.
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||||
7. Known limitations are written in the release document.
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||||
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||||
@@ -0,0 +1,251 @@
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||||
# 솔버 설계 문서
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||||
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||||
## 목표
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||||
FESA는 MITC4 Shell 요소 기반 구조해석에서 시작해 비선형 정적해석, 비선형 동적해석, 열전달 및 thermal-stress coupling, 1D/3D 요소까지 확장하는 유한요소 솔버이다.
|
||||
초기 구현은 정확도와 테스트 가능성을 우선한다. 단, 대규모 모델을 목표로 하므로 자유도 관리, 희소 행렬 조립, 선형 솔버, 병렬 실행 계층은 초기부터 성능 확장이 가능하도록 분리한다.
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||||
|
||||
## 설계 원칙
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||||
- Domain 객체는 입력 모델의 의미를 보존하고 가능한 한 불변에 가깝게 유지한다.
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||||
- 해석 중 변하는 물리량과 반복 상태는 AnalysisState에 명시적으로 분리한다.
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||||
- 요소, 재료, 하중, 경계조건, 해석 알고리즘은 런타임 다형성 기반으로 확장한다.
|
||||
- 결과는 step/frame/field/history 개념으로 저장하여 정적, 비선형, 동적, 열전달 해석을 같은 결과 모델로 다룬다.
|
||||
- 외부 라이브러리(MKL, TBB, HDF5)는 adapter 계층 뒤에 둔다.
|
||||
- Abaqus input 호환성은 파서와 factory/registry 계층에서 관리한다.
|
||||
- shell node는 6자유도이고, 단위계는 강제하지 않으며, 결과 부호는 Abaqus 규약을 따른다.
|
||||
- 경계조건은 constrained DOF 제거 방식으로 적용하고, reaction은 full vector 기준 `K_full * U_full - F_full`로 계산한다.
|
||||
- 기본 실수 precision은 `double`이고, 대규모 모델을 위해 id/index/equation numbering은 int64 기반으로 설계한다.
|
||||
- Mesh quality 진단은 1차 범위에서 제외한다. 대신 singular system 진단은 필수로 제공한다.
|
||||
|
||||
## 디렉토리 구조
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||||
```
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||||
src/
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||||
├── Analysis/ # Static, nonlinear static, dynamic, heat transfer analysis
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||||
├── Assembly/ # 전역 행렬/벡터 조립, sparse pattern 생성
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||||
├── Boundary/ # Fix, RBE2, RBE3 등 경계조건
|
||||
├── Core/ # Domain, AnalysisModel, AnalysisState, DofManager
|
||||
├── Element/ # Node, Element, MITC4 등 요소 구현
|
||||
├── IO/ # Abaqus input parser, HDF5 results writer
|
||||
├── Load/ # NodalLoad, PressureLoad, BodyForce 등 하중
|
||||
├── Math/ # Vector, Matrix, SparseMatrix, MKL adapter
|
||||
├── Material/ # LinearElastic 등 재료 모델
|
||||
├── Property/ # ShellProperty, 1D/2D/3D property
|
||||
├── Results/ # Step, Frame, FieldOutput, HistoryOutput
|
||||
└── Util/ # 공통 유틸리티, 로깅, 검증 보조 함수
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 핵심 클래스 구조
|
||||
```
|
||||
Domain
|
||||
├── Node
|
||||
├── Element
|
||||
├── Material
|
||||
├── Property
|
||||
├── NodeSet
|
||||
├── ElementSet
|
||||
├── BoundaryCondition
|
||||
├── Load
|
||||
└── StepDefinition
|
||||
|
||||
AnalysisModel
|
||||
├── active elements
|
||||
├── active loads
|
||||
├── active boundary conditions
|
||||
├── active properties/materials
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||||
└── equation system view
|
||||
|
||||
AnalysisState
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||||
├── displacement U
|
||||
├── velocity V
|
||||
├── acceleration A
|
||||
├── temperature T
|
||||
├── external force Fext
|
||||
├── internal force Fint
|
||||
├── residual R
|
||||
├── current time / increment / iteration
|
||||
└── element state / integration point state
|
||||
|
||||
DofManager
|
||||
├── node dof definitions
|
||||
├── constrained/free dof mapping
|
||||
├── equation numbering
|
||||
├── sparse matrix pattern ownership
|
||||
└── full/reduced vector reconstruction
|
||||
|
||||
Analysis
|
||||
├── LinearStaticAnalysis
|
||||
├── NonlinearStaticAnalysis
|
||||
├── DynamicAnalysis
|
||||
├── FrequencyAnalysis
|
||||
└── HeatTransferAnalysis
|
||||
|
||||
Element
|
||||
├── 1DElement
|
||||
│ ├── Truss
|
||||
│ └── Beam
|
||||
├── 2DElement
|
||||
│ ├── MITC3
|
||||
│ └── MITC4
|
||||
└── 3DElement
|
||||
├── Hexahedral
|
||||
├── Tetrahedral
|
||||
├── Wedge
|
||||
└── Pyramid
|
||||
|
||||
BoundaryCondition
|
||||
├── Fix
|
||||
├── RBE2
|
||||
└── RBE3
|
||||
|
||||
Load
|
||||
├── NodalLoad
|
||||
├── PressureLoad
|
||||
└── BodyForce
|
||||
|
||||
Results
|
||||
├── ResultStep
|
||||
├── ResultFrame
|
||||
├── FieldOutput
|
||||
└── HistoryOutput
|
||||
|
||||
InputParser
|
||||
ResultsWriter
|
||||
Assembler
|
||||
LinearSolver
|
||||
Vector
|
||||
Matrix
|
||||
SparseMatrix
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 디자인 패턴
|
||||
|
||||
### Strategy Pattern
|
||||
해석 알고리즘과 수치 알고리즘을 교체 가능하게 구성한다.
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||||
|
||||
적용 대상:
|
||||
- `Analysis`: `LinearStaticAnalysis`, `NonlinearStaticAnalysis`, `DynamicAnalysis`, `HeatTransferAnalysis`
|
||||
- `LinearSolver`: `MKLPardisoSolver`, 향후 iterative solver
|
||||
- `TimeIntegrator`: `HHTIntegrator`, 향후 Newmark 등
|
||||
- `ConvergenceCriteria`: residual norm, displacement norm, energy norm
|
||||
|
||||
### Template Method Pattern
|
||||
해석 실행의 큰 흐름은 `Analysis::run()`에서 고정하고, 세부 단계는 해석 종류별로 재정의한다.
|
||||
|
||||
기본 흐름:
|
||||
```
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||||
initialize
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||||
buildAnalysisModel
|
||||
buildDofMap
|
||||
buildSparsePattern
|
||||
assemble
|
||||
applyBoundaryConditions
|
||||
solve
|
||||
updateState
|
||||
writeResults
|
||||
```
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||||
|
||||
비선형 정적해석은 위 흐름을 Newton-Raphson 반복 루프 안에서 사용하고, 동적해석은 time step/frame 루프 안에서 사용한다.
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||||
### Factory + Registry Pattern
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||||
Abaqus input keyword와 내부 객체 생성을 분리한다.
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||||
예:
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||||
- `*Element, type=S4` -> `MITC4ElementFactory`
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||||
- `*Material`, `*Elastic` -> `LinearElasticMaterialFactory`
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||||
- `*Boundary` -> `FixBoundaryFactory`
|
||||
- `*Cload` -> `NodalLoadFactory`
|
||||
- `*Nset`, `*Elset` -> set registry
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||||
|
||||
요소, 재료, 하중, 경계조건 타입 추가 시 parser 본체의 변경을 최소화한다.
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||||
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||||
### Adapter Pattern
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||||
MKL, TBB, HDF5 API는 solver core에 직접 노출하지 않는다.
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||||
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||||
적용 대상:
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||||
- `SparseMatrix`, `Vector`, `Matrix`
|
||||
- `LinearSolver`
|
||||
- `ParallelFor`
|
||||
- `ResultsWriter`
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||||
|
||||
외부 라이브러리 교체 또는 테스트 double 사용이 가능하도록 adapter 계층에서 의존성을 제한한다.
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||||
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||||
### Runtime Polymorphism
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||||
요소, 재료, 하중, 경계조건은 base interface를 통해 다룬다. Phase 1에서는 명확성과 테스트 가능성을 우선하고, 대규모 모델 성능 최적화가 필요할 경우 assembly 내부에서 타입별 batch 처리 또는 kernel 분리를 추가한다.
|
||||
|
||||
## 상태 관리
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||||
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||||
### Domain
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||||
`Domain`은 입력 파일에서 만들어진 전체 모델 정의를 소유한다. 파싱 이후에는 가능한 한 불변으로 취급한다.
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||||
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||||
포함 대상:
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||||
- nodes, elements
|
||||
- materials, properties
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||||
- node sets, element sets
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||||
- loads, boundary conditions
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||||
- analysis step definitions
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||||
|
||||
### AnalysisModel
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||||
`AnalysisModel`은 현재 step에서 활성화되는 해석 객체들의 실행 view이다. `Domain`을 복사하지 않고 참조 또는 id 기반 view로 구성한다.
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||||
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||||
포함 대상:
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||||
- active elements
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||||
- active loads
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||||
- active boundary conditions
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||||
- active property/material references
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||||
- current equation system view
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||||
|
||||
### DofManager
|
||||
`DofManager`는 자유도와 방정식 번호를 전담한다. Node 또는 Element 내부에 equation id를 분산 저장하지 않는다.
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||||
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||||
책임:
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||||
- node별 활성 자유도 정의
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- constrained/free dof mapping
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||||
- equation numbering
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||||
- sparse matrix pattern 생성에 필요한 connectivity 제공
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||||
- 경계조건 적용 전후의 dof view 관리
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||||
|
||||
### AnalysisState
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||||
`AnalysisState`는 해석 중 변하는 물리량과 반복 상태를 소유한다.
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||||
|
||||
포함 대상:
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||||
- displacement, velocity, acceleration
|
||||
- temperature
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||||
- external force, internal force, residual
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||||
- current time, increment, Newton iteration
|
||||
- element state, integration point state
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||||
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||||
Phase 1에서는 displacement 중심으로 최소 구현하되, 기하비선형과 thermal-stress coupling을 위해 element/internal state 확장 지점을 유지한다.
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||||
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||||
### Results State
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||||
결과는 `ResultStep` -> `ResultFrame` -> `FieldOutput`/`HistoryOutput` 구조로 관리한다.
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||||
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||||
- `ResultStep`: 해석 step 단위 결과
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||||
- `ResultFrame`: 정적해석의 load increment 또는 동적해석의 time frame
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||||
- `FieldOutput`: node/element field 결과
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||||
- `HistoryOutput`: 특정 node, element, set, reaction, energy 등의 이력 결과
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||||
|
||||
## 데이터 흐름
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||||
```
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||||
Abaqus input file
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||||
-> InputParser
|
||||
-> Domain 생성
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||||
-> StepDefinition 루프
|
||||
-> AnalysisModel 생성
|
||||
-> DofManager로 자유도/방정식 번호 생성
|
||||
-> sparse pattern 생성
|
||||
-> Analysis 실행
|
||||
-> Assembler로 전역 행렬/벡터 조립
|
||||
-> BoundaryCondition 적용
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||||
-> LinearSolver 또는 nonlinear/time integration loop
|
||||
-> AnalysisState 갱신
|
||||
-> ResultsWriter로 step/frame/history 저장
|
||||
-> 다음 step 진행
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 성능 확장 방향
|
||||
- 행렬 조립은 element 단위 병렬화를 고려해 설계한다.
|
||||
- 전역 행렬은 대규모 모델을 위해 sparse matrix를 기본으로 한다.
|
||||
- MKL 기반 direct solver를 우선 지원하되, solver interface는 iterative solver를 추가할 수 있게 둔다.
|
||||
- 대규모 sparse solve를 위해 MKL `pardiso_64`를 사용할 수 있도록 64-bit sparse index 경계를 유지한다.
|
||||
- TBB 병렬화는 요소 stiffness 계산, element force 계산, assembly precompute 등 독립 작업부터 적용한다.
|
||||
- 정확도 검증이 끝나기 전에는 MITC4 element formulation을 과도하게 최적화하지 않는다.
|
||||
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||||
Reference in New Issue
Block a user