三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.1介绍
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。
FRANC3D中文手册
1.产品介绍FRANC3D是一个在已有的有限元网格中插入和扩展裂纹或空隙的程序。
本手册描述了程序的图形用户界面的组件，特别是版本7。
它在适当的地方还包括一些基础理论和概念，但FRANC3D理论参考提供了更多这些细节。
单独的FRANC3D命令语言和Python扩展参考提供了所有命令和相应Python函数的列表。
有三个独立的FRANC3D教程文档描述了程序的使用情况，并结合了三种支持的商业FE程序:ANSYS、ABAQUS和NASTRAN。
此外，还有一个FRANC3D Benchmark文档描述了许多具有应力强度因子（SIF）解析或手册解决方案的裂缝配置，并将FRANC3D SIF与这些值进行比较。
要开始使用FRANC3D，你可以选择其中的一个教程并遵循步骤。
可以在本教程的任何FRANC3D建模步骤中查阅此参考文档以获取更多详细信息。
还应该尝试复制一些基准示例，或选择自己的模型进行验证。
在本文档中，面板上的菜单按钮，对话框或向导面板标题以及按钮用粗体文字表示。
下划线文本表示对话框或向导面板中的字段，标签和可选选项。
模型和文件名将以斜体文字表示。
这种格式应该与教程一致。
2.通用操作和3D视图操作FRANC3D主窗口的图像如图2.0.1所示。
大部分屏幕由显示当前模型的3D图形窗口使用。
首次显示模型时，3D视图将设置为使观察者从正z方向的位置朝向模型中心。
观看者与模型之间的距离设置为使整个模型可见。
对于大多数操作，人们可能希望改变视图以查看模型的不同侧面和/或更仔细地查看细节。
与许多其他程序一样，通过按下鼠标按键和键盘按键的适当组合，在3D图形窗口中移动鼠标，可以更改视图。
视图处理有五个基本功能。
为每个功能定义了鼠标按键和键盘按键的独特组合。
可以使用“首选项”对话框中的3D视图选项卡更改按钮和键分配（在第5.4节中介绍）。
视图功能是(使用FRANC3D默认鼠标和键盘键分配):旋转（鼠标左键，没有键盘按键）：鼠标移动旋转屏幕上的模型。
三维断裂分析软件FRANC3D
应变方程确定这些点的扩展方向，它们的扩展尺寸 则由各点相对应力强度因子的大小和用户确定的 最大扩展尺寸共同决定。这些扩展后的点连线后重 新组成新的裂纹面。用户可以重新分析扩展后裂纹 前缘的应力强度因子分布情况。ＦＲＡＮＣ３Ｄ还有一 个优点就是，在裂纹扩展后，只需对很小的一部分 区域重新划分网格，这大大减少了网格划分时间。
断裂分析器ＦＲＡＮＣ３Ｄ（图２）是整个系统的核 心部分。它具有以下功能： ２．２．１ 几何模型完善
对于从ＯＳＭ读入的几何模型，ＦＲＡＮＣ３Ｄ可 以对之进行修改，比如增加点、线、面等。同时，
第６期
贾学明，等：三维断裂分析软件ＦＲＡＮＣ３Ｄ
图１立体对象建模器０ｓＭ示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ０ＳＭ
蕊万Ｋ翥７一一丽丽１［ｌｓＳｉ１ｎ旷ｚ∥口十＋Ｉ㈡了Ｊｚ ｃｏｓ２ ０］Ｊ｛ （１）
式中０为决定裂纹前缘点位置的方位角，Ｅ（Ⅳ）为 第二类椭圆积分
第６期
贾学明，等：三维断裂分析软件ＦＲＡＮＣ３Ｄ
Ｅ（Ⅳ）一Ｉ ／１一Ⅳ２ ｓｉｎ２ ０ｄ０， 舻一Ｌ—Ｆ∑ （２）
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对于给定的ａ和Ｃ值，Ｅ（托）一１．２１１０９６。
万方数据
在划分好网格以后，把结果写入．ｂｅｓ文件，就 可以进行求解了。求解使用边界元系统ＢＥＳ系统进 行。边界元计算是整个分析中最耗时的。随着单元数 的增加，求解时间也显著增加。用户可以根据需要选 择所需的求解器（ＱＲ分解，Ｇａｕｓｓ消元法、迭代 法），用户可以根据问题的规模选择使用内存（ｉｎ ｃｏｒｅ）或者外存（ｏｕｔ ｏｆ ｃｏｒｅ）来计算；甚至可以使用 ＢＥＳ的并行计算程序在多台机器上同时计算。 ２．２．３ 应力强度因子计算和裂纹自动扩展
大的点裂纹的扩展速度相应的也要大。最终的扩展 趋势是裂纹各点的应力强度因子相等。对于无限大 体内埋裂纹，只有圆形裂纹的各点应力强度因子相 等。 ３．２ ＣＣＮＢＤ试样的应力强度因子计算
FracproPT三维压裂软件概述
压裂分析
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压裂分析
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FracproPT
内容
压裂设计 压裂分析 产能分析 快速设计
测或历史拟合压裂井或非压裂井的生产 性状。在本方式中，FracproPT 将在压裂裂缝扩 展和支撑剂运移的模型中计算确定的支撑剂浓度 剖面(经过 ReservoirPT)传递给产能分析软件， 再用它来模拟计算支撑剂浓度剖面对油井生产能 力的影响。对于评估压裂井的经济效果以及进行 后续施工井的经济预测来说，这是不可缺少的过 程。与 FracproPT 的全部的其它的方式一样，在 主选项--F2屏幕上选定产能分析模块;本模块正在 使用中的信息被显示在 FracproPT 窗口底部的状 态栏中。
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产能分析
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FracproPT
内容
压裂设计 压裂分析 产能分析 快速设计
快速测试压裂分析
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快速设计
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FracproPT
内容
压裂设计 压裂分析 产能分析 快速设计
快速测试压裂分析
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快速测试压裂分析
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文件名约定
❖ BAK: 最后保存过的输入文件的备份 ❖ CMS: 校准模型设置文件 ❖ DBS: 使用 DataConvertPT 或 DataAcqPT 制作的压裂施工或生产数据的数据库文件 ❖ DBD: 使用 DataConvertPT 制作的测井或井筒测试(即基于深度)的数据库文件 ❖ ERR: 模拟软件运行期间遇到的错误记录文件 ❖ FLD: 压裂液库(ASCII 格式) ❖ FPA: 特殊 ASCII 格式的施工、生产、测井或者井筒测试数据(由DataConvertPT生成) ❖ INC: 用 FracproPT 可以生成 ECLIPSE Office 项目文件 ❖ INP: FracproPT 的输入文件 ❖ LAS: 测井 ASCII 文件。综合裂缝剖面和测井/地层编辑器可以直接读取这种标准工业格式文件。 ❖ LOP: 经济优化的输出文件
ALOF系统-新一代三维疲劳裂纹扩展分析软件
ALOF系统-新一代三维疲劳裂纹扩展分析软件ALOF全称为Analyses Laboratory of Fracture，意为一个面向疲劳断裂过程的仿真实验室。
它以断裂力学为基础，对含缺陷构件进行模拟分析，为断裂失效分析专家提供科学数据和判断。
ALOF采用目前世界上最先进的裂纹扩展计算技术(扩展有限元技术XFEM和虚节点多边形有限元法VNM)，由数位具有机械工程和计算力学专业背景的留洋博士、中外籍教授团队历时四年开发而成。
目前，ALOF软件被由洞力公司开展专业的研发、市场推广与商业化运作。
ALOF可以准确预测静载荷或疲劳载荷作用下裂纹行为，确定工程结构损伤容限，为完整性与耐久性分析提供依据，进而指导制定装备的维护方案。
2006年以来，ALOF分析的可靠性已经在广泛的工程实践和学术研究中得到了证实，为中国首款三维裂纹建模和扩展分析软件。
众所周知，3D裂纹扩展的有限元模拟一直是工程界的一个难题，其困难主要有两个。
一、裂纹扩展后物体的边界形状发生改变，必须重新建立CAD和CAE模型；二、裂纹尺寸相对较小而尖端的应力场却非常奇异，一般的网格密度无法得到可靠的结果。
个别软件虽然通过裂纹修正网格的方式实现了简单形状（结构化网格）产品的裂纹扩展，但因仅接受六面体网格，无法处理复杂形状的结构。
ALOF采用XFEM 技术和VNM两项关键技术，克服了3D裂纹扩展的两个难题，真正实现了复杂工程结构和复杂形状裂纹的全自动高效模拟计算。
ALOF是目前市场上的商业软件中，唯一一个使用了XFEM技术和VNM技术模拟裂纹扩展与预测疲劳寿命的软件。
ALOF具有强大的完全独立的可视化建模器、内核求解器以及后处理器，而且提供了与主流CAD、CAE软件的接口，不但可以进行传统的弹塑性分析，也可以进行二维、三维的裂纹扩展模拟。
ALOF的典型应用领域：高速列车核工业航空宇航国防军工能源动力化工机械工程机械船舶海洋土木结构……ALOF应用举例：任意形状的无缺陷产品预测疲劳寿命和检修周期；任意形状含缺陷产品安全性评估和剩余寿命的计算；任意工业结构及装备中裂纹尺寸进行参数化研究；确定给定寿命下的最大裂纹尺寸；确定给定裂纹张开面积（COA）下的最大裂纹尺寸；失效事故裂纹扩展过程的追溯；……模型生成：导入任意形状的CAD模型；导入任意形状的裂纹曲面；一键式生成疏密合理的二维、三维网格；导入其他CAE软件的网格和计算结果；基于ALOF专有的VNM技术，在裂纹扩展前缘自适应加密；高效的网格松弛技术，保证裂纹分析时较小的单元量；高效直观的材料、荷载建模器。
基于FRANC3D计算三维疲劳裂纹最大应力强度因子
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当前 已 有 许 多
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种计 算应 力 强 度 因 子 的方 法 如 边 界 元 法 有 限元 法 等
，
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裂纹前沿应力
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随 着 边 界元 有 限 元 理 论 的发 展 以 边 界 元 法 有 限 元
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强 度 因子 的计算方法 可
以直接利用边界元理 论
法求 解 应 力 强 度 因 子 得 到 了 广 泛 的应 用
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( S I F )；F R A N C 3 D
工 程 结 构 经 常 存 在表 面 裂纹 和 缺 陷
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例 如 齿 轮结 构 作
，
软件 相 继 涌 现 出来
一
为传 递 功 率 和 运 动 的 重 要 零 件 经 常会 发 生 齿 根 裂 纹 现 象
FRANC3D_V6_Training_June 2012
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FRANC3D Typical Work Flow
ANSYS/ABAQUS/NASTRAN
Full 3D FE Model Stress Analysis
portion to be cracked remainder of model
ANSYS/ABAQUS/NASTRAN
FRANC3D
Define crack(s) geometry Compute stress intensity factors Insert crack(s) into portion of model and remesh Extend crack(s) geometry
FRANC3D v7.0 is under development
2012
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FRANC3D Development History
• Development of FRANC3D was funded by:
FRANC3D中文手册
FRANC3D中⽂⼿册1.产品介绍FRANC3D是⼀个在已有的有限元⽹格中插⼊和扩展裂纹或空隙的程序。
本⼿册描述了程序的图形⽤户界⾯的组件，特别是版本7。
它在适当的地⽅还包括⼀些基础理论和概念，但FRANC3D理论参考提供了更多这些细节。
单独的FRANC3D命令语⾔和Python扩展参考提供了所有命令和相应Python函数的列表。
有三个独⽴的FRANC3D教程⽂档描述了程序的使⽤情况，并结合了三种⽀持的商业FE程序:ANSYS、ABAQUS和NASTRAN。
此外，还有⼀个FRANC3D Benchmark⽂档描述了许多具有应⼒强度因⼦（SIF）解析或⼿册解决⽅案的裂缝配置，并将FRANC3D SIF与这些值进⾏⽐较。
要开始使⽤FRANC3D，你可以选择其中的⼀个教程并遵循步骤。
可以在本教程的任何FRANC3D建模步骤中查阅此参考⽂档以获取更多详细信息。
还应该尝试复制⼀些基准⽰例，或选择⾃⼰的模型进⾏验证。
在本⽂档中，⾯板上的菜单按钮，对话框或向导⾯板标题以及按钮⽤粗体⽂字表⽰。
下划线⽂本表⽰对话框或向导⾯板中的字段，标签和可选选项。
模型和⽂件名将以斜体⽂字表⽰。
这种格式应该与教程⼀致。
2.通⽤操作和3D视图操作FRANC3D主窗⼝的图像如图2.0.1所⽰。
⼤部分屏幕由显⽰当前模型的3D图形窗⼝使⽤。
⾸次显⽰模型时，3D视图将设置为使观察者从正z⽅向的位置朝向模型中⼼。
观看者与模型之间的距离设置为使整个模型可见。
对于⼤多数操作，⼈们可能希望改变视图以查看模型的不同侧⾯和/或更仔细地查看细节。
与许多其他程序⼀样，通过按下⿏标按键和键盘按键的适当组合，在3D图形窗⼝中移动⿏标，可以更改视图。
视图处理有五个基本功能。
为每个功能定义了⿏标按键和键盘按键的独特组合。
可以使⽤“⾸选项”对话框中的3D视图选项卡更改按钮和键分配（在第5.4节中介绍）。
视图功能是(使⽤FRANC3D默认⿏标和键盘键分配):旋转（⿏标左键，没有键盘按键）：⿏标移动旋转屏幕上的模型。
FRANC3D 初始裂纹引入和更新注意事项
在划分裂纹网格时需要注意的问题以下问题仅针对FRANC3D V6.0较早期的试用版，如有网格划分不成功，请检查是否属于下列所述的情况。
1)如果使用了子模型技术，则子模型应尽量定义的规则些，长宽高三个方向上的尺度尽量接近。
（注：如果子模型定义的不合适，可以在裂纹扩展的任意一步重新定义子模型）。
2)在引入裂纹时，所定义的裂纹面片最好要延伸出模型的自由表面之外，特别是下图左侧的穿透型裂纹，如果面片尺寸刚好与引入的初始裂纹相等，则可能由于误差的原因导致引入裂纹不成功，需要避免。
（最新版已不存在该问题）3)如果读入的子模型有些面上的网格被保留下来，则在该面上不能引入裂纹，因为引入裂纹后会对该面进行重新网格化分，与被保留的网格产生冲突。
4)另外，如下图所示的子模型，上侧剖面上的网格被保留，则模型右上角的部分在划分网格时会出现困难，因为没有足够的空间用于生成金字塔形过渡单元来连接被保留下来的较粗略的四边形单元面。
5)FRANC3D读入的是网格模型，如果引入裂纹的位置恰好位于原有网格模型的单元边上（下图左），则裂纹面片在“剪切”几何体时容易引起退化现象。
如果裂纹位置稍微偏离一下，错开单元边，将会大大提高裂纹引入的成功率。
错开位置不用过大，只需离开单元边长1/100的距离即可（下图右），对应力强度因子的结果影响非常微小。
最好的办法就是在划分网格时要注意，在引入裂纹的位置不要布置单元边，或利用网格划分工具，将引入裂纹位置处的节点偏移一下即可。
（最新版已不存在该问题）6)在裂纹扩展时，新的裂纹尖端一定要延伸到结构的自由表面之外（如下图），否则会网格更新不成功，可以调整extrapolate(%)参数来控制裂纹两端延伸出来的百分比。
7)初始裂纹为圆形或椭圆形表面裂纹，在裂纹扩展的过程中如果出现网格更新不成功，有可能是原始的圆形或椭圆形面片的网格与扩展之后的网格之间的匹配问题（下图左），可以将原始的面片网格加密（下图右），或者换另外一种类型的初始裂纹，如长条形裂纹。
任意裂纹扩展-三维裂纹-二维裂纹扩展分析
任意裂纹扩展分析FRANC3DFRANC3D V7.0（FRacture ANalysis Code 3D / Version 7.0）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 V7.0界面FRANC3D V7.0还可计算微动疲劳裂纹萌生寿命、位置和起裂方向，裂纹萌生寿命加扩展寿命即为结构全寿命。
微动疲劳裂纹萌生计算FAC公司（Fracture Analysis Consultants, Inc.）成立于1988年，起源于国际权威的断裂力学研究机构-康奈尔大学断裂工作组，与美国军方和政府组织长期进行项目合作研究和软件联合开发。
FRANC3D V7.0是由FAC公司联合美国空军研究实验室（AFRL）、NASA 马歇尔太空飞行中心、美国海军航空系统司令部（NAVAIR）及波音、普惠等公司开发的新一代裂纹分析软件，是目前全球最专业、最流行的任意三维裂纹扩展分析与损伤容限评估软件。
FRANC3D V7.0研发历程FRANC3D V7.0研发资助机构利用FRANC3D V7.0，可以对以下几方面进行研究：∙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∙……FRANC3D V7.0的主要更新：1.新的裂纹引入与更新算法，裂纹引入稳定性更好，成功率更高。
2.可以利用虚拟裂纹闭合技术计算能量释放率（GI、GII、GIII）。
3.初始裂纹库中增加准椭圆形裂纹类型。
4.恒幅疲劳裂纹扩展计算时，除了给定应力比R之外，还增加了通过载荷自动计算应力比R的选项。
裂纹稳定扩展的FRANC3D研究
裂纹稳定扩展的FRANC3D研究【摘要】介绍了三维断裂分析软件FRANC3D的功能及优势。
通过将算例的FRANC3D数值计算结果与理论计算值、FRANC2D数值计算结果比较，验证了该软件模拟裂纹稳定扩展的可靠性。
【关键词】FRANC3D;OSM;BES;FRANC2D;裂纹稳定扩展;I型裂纹研究裂纹的扩展规律，建立断裂判据可以进行抗断设计、估计结构剩余寿命，在理论和工程上具有重要意义。
目前，国内裂纹稳定扩展多采用实验方法，而进行数值模拟研究的很少，相比之下国外在模拟裂纹稳定扩展方面研究的较多，并且涌现了一批优秀的断裂分析软件，主要有由英国Zentech公司开发的高级3D 裂纹扩展行为分析软件ZENCRACK，以及由美国康奈尔大学（Cornell University）断裂工作组（Cornell Fracture Group）开发的二维及三维断裂分析软件FRANC2D 及FRANC3D。
本文主要运用FRANC3D软件对含有一个边界部分贯穿裂纹的平板进行裂纹稳定扩展模拟，验证其模拟裂纹稳定扩展的可靠性。
1.FRANC3D概述FRANC3D是1987年由美国国家科学基金、波音商用飞机、美国海军、美国空军等机构共同资助开发的一套具有建模、应力分析、应力强度因子计算、裂纹自动扩展模拟等功能的免费软件。
它由三个部分组成，即立体对象建模器OSM，断裂分析器FRANC3D以及边界元系统BES[1、2]。
FRANC3D有很强的模拟裂纹的能力，可以生成多裂纹、非平面裂纹、和任意形状的裂纹。
这些裂纹可以是表面裂纹、深埋裂纹、交叉裂纹、不同材料交界处的界面裂纹等。
FRANC3D在设置裂纹时，用户可以通过菜单选择它自带的裂纹库，如椭圆裂纹、圆片裂纹、直裂纹等。
也可以通过文件的方式生成自己想要的复杂裂纹。
此外，该软件还可以根据应力强度因子历史预言材料的疲劳寿命。
相比于目前国内大部分研究人员使用ANSYS,ABAQUS, NASTRAN, ADINA,MARC来模拟裂纹扩展，FRANC3D具有显著的优势，主要表现在：①ANSYS,ABAQUS,NASTRAN,ADINA,MARC为商业有限元软件，价格昂贵，而且断裂力学分析只不过是它们功能的一部分，不能做到深入和全面分析，而FRANC3D则是专门处理裂纹稳定扩展的免费软件；②FRANC3D具有转换有限元几何模型的功能，它可以把ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, ADINA,MARC转换为OSM和FRANC3D可读的格式。
三维断裂分析软件FRANC3D教程浅析
５ Ａ ｔＣ Ｄ在工 程 施工 中的 一般应 用 ｕｏ Ａ
筑工程信息化技术 的切人点 ， 以迅速提升建筑企业 的管理水平 和
辅助制 图的应用 ： ｕｏ Ａ 软 件在建 筑制 图上非 常有 帮助 ， 技术水平 ， Ａ ｔＣ Ｄ 提高工程质量和效率 ， 降低成本 ， 增强企业竞争力 。 在电脑上绘制各种建 筑施 工图纸 ， 商现场 平面 布置 图、 工流 参 考 文献 ： 洽 施 水图等 ， 直观准确 的 给予施 工人员 指导 。例 如施 工 中的放大样 ， ［ ］ 邓学才． １ 复杂建筑施工放线 ［ ． ２版 ． Ｍ］ 第 北京 ： 中国建筑 工 利用 Ｃ 绘 制 图形后 就 可 以准确 的得 出各 部位所 需 的尺寸 数 Ｄ Ａ 间 。现场平面 布置方 案等也 离不 开 Ｃ Ｄ制图 的帮 助 ， 宏 观的 Ａ 把 现场微缩到计算机图形上 ， 使工作变 得更 加快捷 、 简单。 随着工程建设备案 制度的完善 ， 传统 的手工绘 图已经不适应
能完成复杂 图形的绘制 。Ａｕｏ Ａ ｔ Ｄ软件就有强大的绘 图能力 ， Ｃ 并
且能够十分 自由地在 Ｗｏｄ Ｅ ｃｌ ｒ， ｘｅ等软件 中转换 。
通过 Ｃ Ｄ技术的应用 ， 目部 的内外 沟通更加 流畅 ， 强了 Ａ 项 加
对信息的收集 、 整理 、 理、 处 储存 、 传递管理 。
６ 结语
・
３６ ・ ６
第３ ６卷 第 ２ ５期 ２０ １０年 ９月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ Ｒ ＣＨｎ Ｃ ｎ 瓜 Ｅ
Ｖ＿ ． ６ Ｎｏ． ５ ０ ３ Ｊ ２ Ｓｐ ｅ． ２１ ００
文章编号 ：０ ９６ ２ ｛０ ０ ２ －３ ６０ １０ ．８ ５ ２ １ ）５０ ６ ．３
三 维 断裂 分 析 软 件 Ｆ ＡＮ Ｓ Ｒ Ｃ Ｄ教 程 浅 析
FRANC3DV4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件
FRANC3D V7.4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件新一代FRANC3D（FRacture ANalysis Code for 3D）是美国FAC公司开发的新一代裂纹分析软件，用来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）以及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寿命。
FAC公司(Fracture Analysis Consultants, Inc.)成立于1988年，起源于国际权威的断裂力学研究机构-康奈尔大学断裂工作组，与美国军方和政府组织长期进行项目合作研究和软件联合开发。
FRANC3D是由FAC公司联合美国空军研究实验室（AFRL）、NASA马歇尔太空飞行中心、美国海军航空系统司令部(NAVAIR）及波音、普惠等公司开发的新一代裂纹分析软件，是目前全球最专业、最流行的任意三维裂纹扩展分析与损伤容限评估软件。
FRANC3D的工作流程FRANC3D采用有限元法计算断裂力学参数和任意三维裂纹扩展，与ANSYS、ABAQUS、NASTRAN 等有接口。
其工作流程如下图所示：FRANC3D的工作流程FRANC3D的功能及特点参数化裂纹库FRANC3D具备参数化裂纹库，可引入任意形状的初始裂纹：●零体积缺陷（裂纹）✓椭圆形/圆形裂纹（包括埋藏裂纹）✓穿透型单裂纹前缘裂纹✓穿透型双裂纹前缘裂纹✓长条形浅表裂纹✓圆形周向裂纹（内环、外环）✓跑道型裂纹✓用户自定义平面/近似平面内任意形状裂纹✓用户自定义空间非平面任意三维裂纹●空腔（模拟材料中的气孔、夹渣、缩孔、缩松等）●引入多重裂纹●从外部文件读入裂纹数据自适应网格划分FRANC3D采用自适应网格重新划分技术来引入和更新三维裂纹网格，并采用网格划分模板保证裂纹尖端高质量的网格，是公认的同类软件中计算精度最高的断裂力学软件。
裂纹尖端高质量的网格裂纹尖端使用1/4节点的奇异单元裂纹尖端局部网格对称来减少离散误差裂纹区域网格自动细化以保证足够的精度裂纹面划分粗大的网格以减少单元数量利用M-积分计算断裂力学参数FRANC3D默认采用M-积分来计算应力强度因子，分可分别计算出各向同性和各向异性材料中KI、KII、KIII的结果，能考虑温度、裂纹面接触、裂纹面牵引及残余应力等因素的影响。
三维断裂分析软件FRANC3D教程浅析
三维断裂分析软件FRANC3D教程浅析张涛;杨玉玲【摘要】介绍了三维断裂分析软件FRANC3D(FRacture Analysis Code in 3 Dimensions)的各个组成部分以及在学习过程中应该注意的问题和常见的错误,就其初级教程的内容及原理做简单说明,以减少在以后应用软件的过程中产生错误.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2010(036)025【总页数】3页(P366-368)【关键词】断裂分析;FRANC3D;初级教程;简单说明【作者】张涛;杨玉玲【作者单位】贵州大学土木建筑工程学院,贵州贵阳,550003;贵州大学土木建筑工程学院,贵州贵阳,550003【正文语种】中文【中图分类】TP391.30 引言三维断裂分析软件FRANC3D是美国康奈尔大学开发的一款专门用于断裂分析的自由软件,它和OSM(Object Solid Modeler)立体对象建模器、BES(Boundary Element System)边界元系统共同构成一套完整的断裂分析系统。
OSM主要用于前处理的工作,比如坐标的输入、线面体的形成等,BES主要用于后处理的工作(有限元的分析)。
初级教程里介绍了一个铝质材料的简单裂纹分析及扩展模拟。
以下就此教程做简要的概述和分析。
1 OSM(立体对象建模器)1.1 对象界面及按钮介绍运行OSM后,最先看见的就是如图1所示的界面,它主要由主菜单、信息栏以及一些显示控制按钮组成。
对于先前建好的OSM模型,此时可以直接选择“Read OSM Modle File”读入模型文件,第一次建模型则需选择“Create New Modle”,按照教程所给坐标点,输入坐标。
连点成线、连线成面,其中模型中的四分之一圆弧是由两个弧线连接而成的(如图2所示)。
另外,需注意每个面的外法线的方向(教程上要求每个面法线的方向都必须向外),查看法线的方向可以点选显示菜单(SELECT,DISPLAY)中的NORMALS。
DEFORM基本操作指南
材料科学与工程系 2010年4月
2021/7/1
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DEFORM系列软件简介
DEFORM系列软件是由美国的科学成形技术公司 （Science Forming Technology Corporation）开发 的。该系列软件主要应用于金属塑性加工、热处理等工 艺数值模拟。目前，DEFORM软件己经成为国际上流 行的金属加工数值模拟的软件之一。主要软件产品有：
DEFORM-2D（二维） DEFORM-3D（二维） DEFORM-HT（热处理） DEFORM-PC（微机版） DEFORM-F2 （2D简化版本） DEFORM-F3 （3D简化版本）
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DEFORM通过在计算机上模拟整个加工 过程，可以帮助工程师和设计人员：
1、设计工具并模拟工艺流程，减少昂贵的现 场试验成本；
查看对象的外法线是否
指向对象外。如果方
向反了，点击按钮
。
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三、划分网格
对于那些非刚性材料和考虑传热影响的刚体(Rigid)材料，需要划分有 限元网格：
1.点击按钮进入网格划分窗口； 2.可以在网格数量输入框中输入单元数或用滑动条来设定。在本例 中，默认为8000(在DEFORM3D中只能划分四面体网格，如果你想用六 面体网格可以点击按钮Import，输入IDEAS或PATRAN的网格） 3.点击下面的按钮Preview可 以预览，如果满意，可以点击按 钮Generate Mesh来生成网格。 注：1）preview只划分元件表面; 2）generate mesh即划分表
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四、物体的空间位置调整
这里有两层含义，一是可以移动、旋转物 体，改变他们的最初位置，因为在DEFORM-3D 的前处理中不能造型，所以这一项功能特别重 要，可以将输入到DEFORM中的毛坯、模具几何 模型进行调整。二是为了更快地将模具和坯料接 触，将他们干涉，有一个初步的接触量，这样计 算上可以节省时间。另外，还可以定义摩擦接触 的关系、摩擦系数、摩擦方式等。
franc3d改进的裂纹扩展寿命计算方法
franc3d改进的裂纹扩展寿命计算方法
FRANC3D是一款可以提取出应力强度因子历程数据的软件，能显示沿每条裂纹前缘的应力强度因子曲线和沿指定的裂纹扩展路径上的应力强度因子，并能显示出疲劳条纹。
该软件提供了多种裂纹扩展速率模型来计算任意三维裂纹扩展寿命，所有模型均可定义与应力比R 相关及与温度相关的裂纹扩展速率数据。
裂纹扩展寿命的计算通常需要两步来进行：
1. 整合裂纹扩展速率模型来计算裂纹尺寸和施加载荷循环次数（或时间）之间的关系；
2. 计算裂纹尺寸和应力强度因子之间的关系。
通过FRANC3D软件，可以更准确地计算裂纹扩展寿命，为工程实践提供重要的参考依据。
偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟
偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟刘丹珠;王义兴;肖望【摘要】为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.【期刊名称】《江西水利科技》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】7页(P35-41)【关键词】偏置三维内裂纹;单轴拉伸;裂纹扩展;数值模拟【作者】刘丹珠;王义兴;肖望【作者单位】江西省水利规划设计研究院,江西南昌 330029;江西省水利规划设计研究院,江西南昌 330029;连云港金海岸开发建设有限公司,江苏连云港 222000【正文语种】中文【中图分类】TV223.10 引言材料中普遍含有缺陷这一事实自Griffith经典断裂理论奠基后便为广大断裂力学学者所认同[1]，对于广泛存在于水利、采矿、煤炭领域的岩体中的裂纹以及缺陷，对岩体材料强度影响巨大[2-4]。
对于工程中的岩体结构来讲，其抗拉强度远小于抗压强度，因此岩体在拉应力作用下更容易发生破坏。
同时，多裂纹扩展贯通是导致岩体失稳的重要因素[5，6]，因此，对拉应力下的裂纹扩展规律的认识十分重要。
对于试样多裂纹扩展的规律，国内外许多学者进行了大量有意义的研究：如Horri[7]基于裂纹前缘的应力状态推导了应力强度因子的表达式，对裂纹相互作用机理进行了研究；Tang[8]对多裂纹相互作用进行了试验研究；黄明利[9]利用含两条表面裂纹的PMMA板在单轴应力下的裂纹相互作用机理及扩展贯通模式进行了室内的试验研究。
三维断裂分析软件FRANC3D
三维断裂分析软件FRANC3D
贾学明;王启智
【期刊名称】《计算力学学报》
【年(卷),期】2004(21)6
【摘要】介绍了三维断裂分析软件FRANC3D(FRacture ANalysis Code in 3 Dimensions),它和立体对象建模器OSM(Object Solid Modeler)以及边界元系统BES(Boundary Element System)一起构成一套完整的断裂分析系统.该软件可以进行复杂裂纹的应力强度因子计算、自适应裂纹扩展,具有友好的图形用户界面和强大的前后处理功能.本文还给出了两个应用该软件的实例,证明分析是成功的.【总页数】5页(P764-768)
【作者】贾学明;王启智
【作者单位】四川大学,土木力学系,四川,成都,610065;重庆市交通科研设计院,重庆,400067;四川大学,土木力学系,四川,成都,610065
【正文语种】中文
【中图分类】O35;O241
【相关文献】
1.三维断裂分析软件FRANC3D教程浅析 [J], 张涛;杨玉玲
2.基于FRANC3D计算三维疲劳裂纹最大应力强度因子 [J], 于世光;朱如鹏
3.基于FRANC3D环境的高强度螺栓应力腐蚀断裂仿真研究 [J], 杨兴林;林轻;陈宇光
4.基于FRANC3D和ABAQUS联合仿真三维疲劳裂纹扩展分析及寿命预测 [J],
熊勋;杨莹;汪舟;甘进;王晓丽;盖文岳;李杨
5.基于Franc3D软件的三维裂纹扩展分析与应用 [J], 艾书民;于明;成晓鸣;王建方因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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FRANC3D V6.1 的工作流程
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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：+86 21 51090998
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。
全新一代FRANC3D V6.1
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。
FRAN 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）。
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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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
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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。
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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：
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。
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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。
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；
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。
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。