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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。
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。
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。
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【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。
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。
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。
