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。同时，还能提供J-积分、COD、T-Stress、Kink Angle等断裂力学参数的结果。

FRANC3D还提供VCCT技术来计算获得能量释放率（GI、GII、GIII）的结果。

M-积分在FRANC3D中的实现

微动疲劳分析

FRANC3D的微动疲劳模块由FAC公司与NAVAIR合作开发，最初用于飞机发动机涡轮/叶片的微动疲劳寿命研究。FRANC3D中的微动成核模型可以联合三维有限元分析，预测金属构件的微动疲劳裂纹萌生寿命、萌生位置和起裂方向。

微动疲劳裂纹成核模型包括：

●Equivalent Stress

●Critical Shear Stress

●Critical Smith-Watson-Topper

●Modified SWT

●Ruiz-Chen parameter

涡轮/叶片模型微动疲劳裂纹萌生寿命和位置

任意三维裂纹扩展分析

FRANC3D可模拟工程结构在任意复杂的几何形状、载荷工况和裂纹形态下的三维裂纹扩展，裂纹扩展不受几何形状、单元类型和扩展方向的任何限制，真正实现任意三维裂纹扩展模拟。

可考虑各种影响因素及其组合因素的影响，如：蠕变、加载持续时间、应力腐蚀、环境影响、裂纹面接触、裂纹面牵引、裂纹面闭合、热处理、表面处理、装配预应力及各种残余应力等。

FRANC3D的载荷计划编辑器功能，可以定义一系列加载事件，包括疲劳载荷、时间相关性载荷、疲劳与时间相关性组合载荷等。

FRANC3D提供的三维裂纹扩展扭转方向判据：

●最大张应力准则

●最大剪应力准则

●最大应力准则

●修正的最大应变能释放率准则

●平面扩展

●用户自定义裂纹扩展准则

FRANC3D的任意三维裂纹扩展分析

裂纹扩展寿命计算

FRANC3D提供了多种裂纹扩展速率公式来计算任意三维裂纹扩展寿命，所有模型均可定义温度相关的数据。

FRANC3D提供的裂纹扩展速率公式包括：

●循环负载模型

✓Paris公式

✓双线性Paris公式

✓Sigmoidal

✓Hyperbolic Sine

✓NASGRO公式

✓表单数据

●应力比模型

✓No Stress Ratio Effects

✓Walker公式

✓Newman Closure公式

✓表单数据

●时间相关的模型

✓Power Law公式

✓Terachi SCC公式

✓表单数据

内嵌NASGRO材料疲劳数据库

FRANC3D集成了NASGRO材料疲劳数据库，包含几百种金属及合金材料的疲劳裂纹扩展速率数据和断裂韧性数据，用户只需选择所用的材料即可自动定义所有的材料疲劳常数。

NASGRO材料疲劳数据库

FRANC3D的优势

1.简单直观的用户界面，具有三维模型显示窗口，采用对话框和向导式的操作方式；

2.采用有限元法来计算断裂力学参数，与ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等有接口；

3.采用自适应网格重新划分技术，裂纹尖端网格划分模板使用奇异的楔形单元或退化的六面体单元

（弹塑性材料），时刻保证裂纹尖端周围高质量的网格；

4.使用M积分计算KI、KII、KIII，可考虑温度、裂纹面牵引、接触和残余应力等多种附加因素的影

响；

5.唯一能够同时计算各向异性材料中KI、KII、KIII的断裂力学软件；

6.可计算弹塑性J-积分

7.可计算微动疲劳裂纹萌生寿命，具有多种经工程验证过的裂纹成核模型；

8.可计算疲劳、时间相关、疲劳-时间相关组合载荷作用下的三维裂纹扩展和寿命；

9.内嵌NASGRO材料疲劳数据库及NASGRO、DARWIN软件接口；