PRD: FESA MITC4 Linear Static Shell Solver

목적

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.

사용자

구조해석 솔버를 개발하는 C++/MSVC 개발자
Abaqus/Nastran 계열 input과 결과 검증 방식을 이해하는 해석 엔지니어
reference solver 결과와 FESA 결과를 비교해 기능 release를 판단하는 reviewer
Codex/FESA agent workflow로 기능을 단계별 구현하는 agent

문제 정의

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.

핵심 기능

Abaqus .inp subset 입력
- *NODE, *ELEMENT, *MATERIAL, *ELASTIC, *SHELL SECTION, *BOUNDARY, *CLOAD, *STEP 지원
- unsupported keyword는 명시적 diagnostic을 낸다.
MITC4 shell 선형정적 해석
- 4-node quadrilateral shell
- 6 DOF per node: U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3
- isotropic linear elastic shell section
- 2x2 Gauss integration
- membrane, bending, transverse shear resultants
Sparse system solve
- CSR global stiffness assembly
- Intel oneAPI MKL PARDISO direct solver
- constrained DOF 처리와 reaction recovery
Parallel computation
- Intel oneAPI TBB 기반 element stiffness/result recovery 병렬화
- deterministic assembly merge
HDF5 result output
- mesh metadata
- nodal displacement
- nodal reaction
- element internal force/resultant
- element stress
Reference solver verification
- stored Abaqus S4R reference HDF5 artifact와 비교
- Abaqus S4 artifact는 diagnostic reference로 보관
- nodal displacement, reaction, element internal force, stress 비교
- tolerance 1e-5 단일 기준
Solver state and result model
- Domain, AnalysisModel, AnalysisState 분리
- step/frame/field/history HDF5 결과 구조
- constrained DOF 제거와 full-system reaction recovery
Extensible object creation
- Abaqus parser와 element/material/load/boundary factory registry 분리
- 향후 1D/3D 요소, nonlinear, dynamic, thermal 기능 추가를 위한 module boundary 유지

성공 기준

MITC4 요구조건, 연구, 정식화, I/O, reference model, 구현 계획, reference verification, release 문서가 작성되어 있다.
모든 C++ production 변경은 관련 테스트가 먼저 작성되고 실패가 확인된 뒤 구현된다.
MSVC x64 Debug CMake build와 CTest가 통과한다.
다음 테스트모델이 stored Abaqus S4R reference와 abs-or-rel 1e-5 이내로 일치한다.
- membrane patch
- bending patch
- transverse shear patch
- twist patch
- coarse Scordelis-Lo shell
HDF5 output schema가 reference comparison에 필요한 모든 id, component, step/frame, units, metadata를 포함한다.
Essential boundary condition reaction은 K_full * U_full - F_full 기준으로 계산되어 reference reaction과 비교 가능하다.
Singular system 또는 solver factorization 실패는 명시적 diagnostic으로 보고된다.

제외 사항

Nastran BDF parser
nonlinear static analysis
geometric nonlinearity
dynamic analysis
eigen/buckling analysis
material plasticity
layered composite shell section
contact analysis
Abaqus/Nastran 실행 자동화
reference artifact 자동 생성
OpenSees API 호환성
Phase 1 mesh quality scoring

확장 로드맵

MITC4 선형정적 기능이 reference 검증을 통과한 뒤 다음 기능을 별도 요구조건과 정식화 문서로 진행한다.

nonlinear static analysis
nonlinear dynamic analysis
heat transfer and thermal-stress coupling
1D truss/beam and 3D solid elements
additional material models and properties

Dependency Requirements

MSVC and CMake must be available for C++ build validation.
Intel oneAPI MKL must be available through MKLROOT or known oneAPI installation paths.
Intel oneAPI TBB must be available through TBBROOT or known oneAPI installation paths.
HDF5 C library must be supplied through HDF5_ROOT or HDF5_DIR.
Python 3 must be available for harness validation and phase execution.

Release Requirements

Solver feature release is allowed only when:

Requirements are approved.
Research evidence and formulation are reviewed.
I/O contract and HDF5 schema are fixed.
Reference model artifacts exist and provenance is documented.
C++ TDD implementation passes CTest.
Reference comparison passes tolerance 1e-5.
Known limitations are written in the release document.

4.8 KiB Raw Blame History