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# 아키텍처
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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.
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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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## 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.
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- MITC4 구현은 Phase 1에서 정확도와 테스트 가능성을 우선하며, assembly와 solver 계층은 대규모 모델 최적화가 가능하도록 경계를 둔다.
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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 라이브러리(MKL, TBB, HDF5)는 adapter 계층 뒤에 둔다.
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- Abaqus input 호환성은 파서와 factory/registry 계층에서 관리한다. Phase 1의 입력 범위에는 `*Node`, `*Element`, `*Nset`, `*Elset`, `*Material`, `*Elastic`, `*Shell Section`, `*Boundary`, `*Cload`, `*Step`을 포함한다.
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## 디렉토리 구조
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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
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├── Core/ # Domain, AnalysisModel, AnalysisState, DofManager
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├── Element/ # Node, Element, MITC4 등 요소 구현
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├── IO/ # Abaqus input parser, HDF5 results writer
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├── Load/ # NodalLoad, PressureLoad, BodyForce 등 하중
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├── Math/ # Vector, Matrix, SparseMatrix, MKL adapter
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├── Material/ # LinearElastic 등 재료 모델
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├── Property/ # ShellProperty, 1D/2D/3D property
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├── Results/ # Step, Frame, FieldOutput, HistoryOutput
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└── Util/ # 공통 유틸리티, 로깅, 검증 보조 함수
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```
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## 핵심 클래스 구조
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```
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Domain
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├── Node
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├── Element
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├── Material
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├── Property
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├── NodeSet
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├── ElementSet
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├── BoundaryCondition
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├── Load
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└── StepDefinition
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AnalysisModel
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├── active elements
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├── active loads
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├── active boundary conditions
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├── active properties/materials
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└── equation system view
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AnalysisState
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├── displacement U
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├── velocity V
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├── acceleration A
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├── temperature T
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├── external force Fext
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├── internal force Fint
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├── residual R
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├── current time / increment / iteration
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└── element state / integration point state
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DofManager
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├── node dof definitions
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├── constrained/free dof mapping
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├── equation numbering
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└── sparse matrix pattern ownership
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Analysis
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├── LinearStaticAnalysis
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├── NonlinearStaticAnalysis
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├── DynamicAnalysis
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├── FrequencyAnalysis
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└── HeatTransferAnalysis
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Element
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├── 1DElement
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│ ├── Truss
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│ └── Beam
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├── 2DElement
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│ ├── MITC3
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│ └── MITC4
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└── 3DElement
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├── Hexahedral
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├── Tetrahedral
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├── Wedge
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└── Pyramid
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BoundaryCondition
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├── Fix
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├── RBE2
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└── RBE3
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Load
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├── NodalLoad
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├── PressureLoad
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└── BodyForce
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Results
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├── ResultStep
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├── ResultFrame
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├── FieldOutput
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└── HistoryOutput
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InputParser
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ResultsWriter
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Assembler
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LinearSolver
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Vector
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Matrix
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SparseMatrix
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## 디자인 패턴
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### Strategy Pattern
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해석 알고리즘과 수치 알고리즘을 교체 가능하게 구성한다.
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적용 대상:
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- `Analysis`: `LinearStaticAnalysis`, `NonlinearStaticAnalysis`, `DynamicAnalysis`, `HeatTransferAnalysis`
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- `LinearSolver`: `MKLPardisoSolver`, 향후 iterative solver
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- `TimeIntegrator`: `HHTIntegrator`, 향후 Newmark 등
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- `ConvergenceCriteria`: residual norm, displacement norm, energy norm
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### Template Method Pattern
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해석 실행의 큰 흐름은 `Analysis::run()`에서 고정하고, 세부 단계는 해석 종류별로 재정의한다.
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기본 흐름:
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```
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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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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`
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- `*Cload` -> `NodalLoadFactory`
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- `*Nset`, `*Elset` -> set registry
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요소, 재료, 하중, 경계조건 타입 추가 시 parser 본체의 변경을 최소화한다.
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### Adapter Pattern
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MKL, TBB, HDF5 API는 solver core에 직접 노출하지 않는다.
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적용 대상:
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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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외부 라이브러리 교체 또는 테스트 double 사용이 가능하도록 adapter 계층에서 의존성을 제한한다.
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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.
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## 상태 관리
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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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포함 대상:
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- nodes, elements
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- 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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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
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`DofManager`는 자유도와 방정식 번호를 전담한다. Node 또는 Element 내부에 equation id를 분산 저장하지 않는다.
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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
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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, integration point state
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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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### Results State
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결과는 `ResultStep` -> `ResultFrame` -> `FieldOutput`/`HistoryOutput` 구조로 관리한다.
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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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Abaqus input file
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-> InputParser
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-> Domain 생성
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-> StepDefinition 루프
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-> AnalysisModel 생성
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-> DofManager로 자유도/방정식 번호 생성
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-> sparse pattern 생성
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-> Analysis 실행
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-> Assembler로 전역 행렬/벡터 조립
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-> BoundaryCondition 적용
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-> LinearSolver 또는 nonlinear/time integration loop
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-> AnalysisState 갱신
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-> ResultsWriter로 step/frame/history 저장
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-> 다음 step 진행
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```
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## 성능 확장 방향
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- 행렬 조립은 element 단위 병렬화를 고려해 설계한다.
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- 전역 행렬은 대규모 모델을 위해 sparse matrix를 기본으로 한다.
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- MKL 기반 direct solver를 우선 지원하되, solver interface는 iterative solver를 추가할 수 있게 둔다.
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- TBB 병렬화는 요소 stiffness 계산, element force 계산, assembly precompute 등 독립 작업부터 적용한다.
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- 정확도 검증이 끝나기 전에는 MITC4 element formulation을 과도하게 최적화하지 않는다.
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