三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.1介绍

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地址：上海市徐汇区宜山路 900 号科技产业化大厦 A 区 411-413 室 邮编：200233 电话：+Байду номын сангаас6 21 51090998
操作界面及工作流程
FRANC3D V6.1 采用流程向导的方式进行操作， 且每一步均采用图形和对话框的用户界 面，极大方便了用户的操作，具有良好的用户体验。这些向导包括： 微动疲劳裂纹萌生分析向导 裂纹引入向导 裂纹扩展分析向导 疲劳裂纹扩展寿命计算向导
FAC 公司（ Fracture Analysis Consultants, Inc.）成立于 1988 年，起源于美国康奈尔大学断 裂力学组（Cornell Fracture Group），该公司开 发的 FRANC3D V6.1 继承于康奈尔大学于上世 纪 80 年代开发的 FRANC3D 软件，即现在的 FRANC3D/Classic。虽然两者共享同一个名称， 但 V6.1 版本综合了 Classic 版本 20 多年的开发 和应用经验，用 C++语言进行全新内核编写，将 原来基于边界元的方法更改为利用有限元法， 用 python 语言开发全新界面并采用不同方法来进 行模型处理和断裂力学计算， 无论是界面还是算 法，都有根本不同。
KC-135 疲劳失效
存在的问题
在一般情况下，裂纹是引起各种结构、零部件失效及工程中的各类重大事故的根源。因 此，发现各种裂纹现象、了解裂纹扩展及失稳扩展的条件、掌握裂纹扩展的规律及控制裂纹 的扩展非常有必要。但目前，我们往往还没有对裂纹进行有效的研究和分析，主要表现在以 下几个方面： 1) 2) 3) 4) 5) 目前的设计主要采用强度设计方法，不能对结构件的寿命和失效进行有效的评估， 而失效分析是强度分析的深入和延伸； 对已破坏或出现裂纹的零部件只是凭经验或不断的尝试来进行改进， 没有科学严谨 的方法来进行评测和把控，有的设计改进甚至会减少产品的寿命，加速破坏； 没有专门的专家团队或部门进行可靠性和疲劳寿命评估； 真实的裂纹形态往往是三维的， 要深入进行研究的话还缺乏专业的断裂和失效分析 工具； 如果进行疲劳试验，则实验周期长、耗资大，同时也存在大量随机性和不确定性。
同时fac公司还与美国空军研究实验室atkthiokolpropulsion推进系统公司美国航空航天局马歇尔太空飞行中心美国海军空战中心navair等美国军方和政府组织长期进行项目合作研究并在它们的资助下共同开发高级功能以支持更深入的工程应用无论是软件的可靠性求解精度还是软件的功能都有了极大提高
全新一代FRANC3D V6.1
FRANC3D V6.1 中的子模型方法
网格模型的读入
FRANC3D V6.1 需要一个不包含裂纹的模型或子模型的网格文件作为输入， 它和有限元 软件之间通过输入文件进行交流，包括 ANSYS 的.cdb，ABAQUS 的.inp，NASTRAN 的.bdf 文件等。 如果要进行热/机械加载，则需要一个节点温度文件；如果要考虑初始应力或残余应力， 还会需要一个节点应力文件。 FRANC3D V6.1 也会输出模型或子模型的新网格文件， 包含新 引入或扩展后的裂纹（相应地，还会有插值得到的节点温度文件）。
裂纹引入向导
FRANC3D V6.1 增加了脚本命令的支持功能， 能够完整记录用户的操作过程， 形成命令 流文件，读取该文件即可重现所有的操作过程，方便进行参数化研究，如不同尺寸的初始裂 纹对裂纹扩展寿命的影响等。 FRANC3D V6.1 采用有限元法来计算断裂力学参数和三维裂纹扩展， 其工作流程如下图 所示： 1) 建立完整的有限元模型 分析人员使用有限元前处理工具创建不含裂纹的网格模型， 一般情况下， 将裂纹扩展区 域定义成子模型，以提高计算的速度； 2) 引入裂纹 FRANC3D V6.1 读取子模型、使用图形化的裂纹引入向导或借助 Python 语言以编码方 式引入初始裂纹， 对子模型进行网格重新划分， 然后含有裂纹的子模型和剩余模型部分被重 新整合；

微动疲劳裂纹萌生寿命、位置和起裂方向分析 损伤容限评估 耐久性分析 结构安全和可靠性评估




裂纹尺寸与结构剩余寿命的关系研究 确定初始缺陷在给定载荷历史条件下的剩余寿命 确定给定寿命和载荷下的临界裂纹尺寸（允许存在多 大的初始缺陷）



确定无损检测周期和维修方案 焊接结构失效分析 微观裂纹扩展分析 ……
同时， FAC 公司还与美国空军研究实验室、 ATK Thiokol Propulsion（推进系统公司）、美 国航空航天局马歇尔太空飞行中心、 美国海军空 战中心 （NAVAIR） 等美国军方和政府组织长期 进行项目合作研究， 并在它们的资助下共同开发 高级功能， 以支持更深入的工程应用， 无论是软 件的可靠性、 求解精度还是软件的功能， 都有了 极大提高。
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FRANC3D V6.1 的典型应用
FRANC3D V6.1 软件作为目前全球唯一的真正意义上的任意三维裂纹扩展仿真软件， 在 以下方面有着较为典型的应用：
微动疲劳与任意三维裂纹扩展分析
上海量维信息科技有限公司
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现状分析
在工业中，真实的结构总是存在众多缺陷或裂纹，对于一个含裂纹或缺陷的构件，多在 其服役荷载远低于容许强度的情况下就发生了破坏。 实际工程结构在经受长时间多因素综合 作用下，产生变形、裂纹等缺陷，从而导致整个结构的失效。结构的失效主要由疲劳引起， 其最终失效形式即为断裂，有大约 80%以上的工程结构的断裂与疲劳有关，由疲劳引起的 巨大经济损失及灾难性的后果不胜枚举。 美国的一项调查指出， “每年， 因材料的断裂失效引起的经济损失大概有 1,190 亿美元， 是全美 GNP 的 4%。其中，这些损失中估计有 350 亿美元可以通过应用断裂力学来避免， 又有 280 亿美元可以通过相关的研究避免。”巨大的直接和间接经济损失固然惊人，但是由 于断裂失效引起的人身伤害和生命损失更令人扼腕叹息。
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FRANC3D V6.1 及 FAC 公司简介
FRANC3D V6.1（FRacture ANalysis Code for 3D / Version 6.1）是美国 FAC 公 司开发的新一代裂纹分析软件，用来计算 工程结构在任意复杂的几何形状、载荷条 件和裂纹形态下的三维裂纹扩展和疲劳寿 命， 它基于有限元软件进行断裂力学计算， 与 ANSYS、ABAQUS 和 NASTRAN 等有 接口。FRANC3D V6.1 还可以计算微动疲 劳裂纹萌生寿命（包括裂纹萌生位置和起 裂方向），进而计算结构的全寿命。
FRANC3D V6.1 使用多种单元类型来对裂纹区域进行网格划分， 默认情况下， 在裂纹前 缘生成 8 个 15 节点的楔形单元，这些单元采用四分之一节点技术，以实现理论上的 r-1/2 应 力分布。 裂纹前缘单元周围生成两层 20 节点的六面体单元环，楔形和六面体单元组合起来就形 成裂纹前缘“模板”。 其余的区域使用 10 节点的四面体单元， 四面体单元和六面体单元之间使用了 13 节点的 金字塔形过渡单元。 如果有限元软件不支持金字塔形单元， FRANC3D V6.1 提供了一个选项， 可将金字塔形单元分割为四面体单元。
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需求分析
在工程实际中， 我们通常不能仅仅因为某个构件出现了裂纹就简单的认为该构件不安全 或不可靠，尤其是对于大型设备的重要构件，因为这将使企业耗费高昂的成本。对于出现的 裂纹，以往多采用以下几种处理办法：一是对出现裂纹的构件进行更换，这对于含裂纹但仍 能工作的构件是一个巨大的浪费。 二是强行停止使用进行维修， 这样会带来巨大的经济损失； 三是冒险继续使用，但这样会带来巨大风险，甚至会造成人员伤亡；所以人们更想知道，出 现的裂纹是否会在既定载荷 （包括疲劳载荷在内的任意载荷） 下扩展成不安全或失效的临界 尺寸。 断裂力学专门研究含缺陷材料的力学行为， 评估构件的破坏条件和服役性能。 失效分析 则是采用断裂力学的理论和方法对含裂纹等缺陷构件的失效过程进行分析， 以评估产品的安 全性和可靠性。在工程实践中，失效分析已成为评估产品性能、改良产品设计和提高服役寿 命的一个重要工具，已经在化工机械、飞行器、核工业等各个工程领域得到了广泛应用，并 得到了世界各国政府及学术机构的重视。 目前，失效分析主要有两种方法： 1）解析法 依据相应的规范和经验公式， 将复杂的三维问题简化为二维问题， 并对复杂的裂纹形状 和荷载状态进行简化， 然后用经验的方法对裂纹安全性进行评估。 但对于大量结构复杂的工 程实际问题却无能为力，况且其简化后的分析准确度及是否真实逼近服役情况也值得探讨。 2）数值法 目前， 基于数值法的裂纹扩展分析软件已成功应用于解决工程实际问题。 市场上已有几 款用于裂纹扩展分析的商用软件， 其主流发展方向是基于有限元法的裂纹扩展分析软件， 由 于计算精度高，使用方便，在工程应用上使用较为广泛。 裂纹扩展分析软件基于评估产品的安全性与可靠性， 它对含裂纹等缺陷产品进行计算机 仿真，模拟产品的失效过程。裂纹扩展分析软件是失效分析的一个强有力工具，在工业设计 和设备安全性评估中有着重要的地位和作用，有着巨大的市场和广阔的发展前景。
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引入初始裂纹
FRANC3D V6.1 可以引入零体积缺陷（裂纹）和有限体积缺陷（空腔）。提供了“向导” 式的操作来定义初始缺陷的形状、方向和位置。FRANC3D V6.1 可以引入的裂纹类型包括： 椭圆形裂纹 单前缘穿透型裂纹 双前缘穿透型裂纹 长条形表面浅裂纹 双前缘椭圆形裂纹 用户自定义任意形状裂纹 椭球空腔（模拟气泡、夹渣等） 多重裂纹 从外部文件导入裂纹数据
FRANC3D V6.1 的工作流程
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建模方法和特点
子模型
FRANC3D V6.1 支持子模型技术，裂纹扩展时仅限于在子模型内进行网格重划，所有 FRANC3D V6.1 支持的有限元软件均支持定义子模型。 实际分析时， 裂纹尺寸相对于结构来说往往很小， FRANC3D V6.1 将网格重划区域限定 在子模型内，可以大大减少数据的传送和处理量，从而提高裂纹扩展分析效率。其余部分的 模型可以包含简化的结构（如 shell 单元）、复杂边界条件（如接触）或完全六面体的网格 模型。重划的子模型会被重新“放入”全局模型，然后对整个模型进行分析。 子模型仅仅用于网格重划，不影响分析的策略，这种方法不同于子结构或局部/全局分 析，它可以在裂纹扩展分析的任何一步重新定义子模型。
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3) 执行有限元计算 带有初始裂纹的网格自动提交给有限元软件进行计算，如： ABAQUS 、 ANSYS 、 NASTRAN 等； 4) 裂纹扩展预测 FRANC3D V6.1 自动读取应力分析结果计算所有裂纹前缘节点的应力强度因子， 进行裂 纹扩展分析，更新裂纹前缘位置，重新划分子模型网格； 5) 执行新的有限元计算 如果没有达到用户定义的分析结束条件，FRANC3D V6.1 将提交一个新的有限元分析。 上述循环过程不断重复，直到达到用户定义的限制条件或破坏条件，如 SIF 达到 KIC。