风洞试验模型应力监测，KYOWA 箔式应变片实测案例

风洞试验是飞行器气动外形设计与结构强度验证的核心手段。在风洞运行过程中，试验模型承受着高速气流的冲击、振动与温度变化等多重载荷，其关键结构部位的应力状态直接关系到飞行安全与气动性能评估的准确性。日本共和电业（KYOWA）箔式应变片凭借其高精度、良好的温度特性和丰富的产品线，在风洞试验模型应力监测领域得到了广泛应用。本文结合风洞试验中的实测案例，系统梳理应变片选型、安装、数据采集与结果分析的全流程要点。

一、风洞试验应力监测的核心挑战

风洞试验环境对应变测量提出了极为严苛的要求：

1. 动态载荷与高频响应

风洞运行过程中，模型表面受到的气动载荷是动态变化的，尤其在颤振试验、脉动压力测试等场景中，应变信号频率可达数百赫兹。应变片必须具备良好的动态响应特性，能够捕捉瞬态应变变化。

2. 温度效应与热输出

高速气流带来的气动加热会使模型表面温度显著升高，尤其在超声速/高超声速风洞中，模型前缘温度可达数百甚至上千摄氏度。温度变化引起的虚假应变输出（热输出）若不能有效抑制，将严重干扰测量精度。

3. 曲面粘贴与空间限制

飞行器模型通常具有复杂的曲面外形，且内部空间狭小，应变片的粘贴位置往往受到严格限制。应变片需要具备良好的柔韧性，以适应不同曲率的表面。

4. 长期可靠性与抗振性

风洞试验往往需要连续运行数小时甚至更长时间，应变片及其粘贴工艺必须经受住持续气流冲击与结构振动的考验。

二、产品选型指南

根据风洞试验的具体工况（温度、载荷、模型材质等），KYOWA提供多款适配的箔式应变片：

（一）常温/中低温风洞试验：KFGS系列通用箔式应变片

KFGS系列是KYOWA应用广泛的通用箔式应变片，采用Cu-Ni系合金箔电阻元件与聚酰亚胺基底。其核心特点包括：

典型型号：KFGS-2-120-D16-11，栅长16mm，适合碳纤维复合材料机翼等大面积应变场采集。该型号精度等级达±0.3%，能够精准捕捉微观应变变化。

（二）高温风洞试验：KFU/KFHB系列高温用箔式应变片

对于高超声速风洞、电弧风洞等高热环境，需选用高温专用应变片：

• KFU系列（350℃） ：基底采用耐热性强的聚酰胺树脂，电阻元件使用Ni-Cr系合金箔，可有效减少热输出。

• KFHB系列（250℃） ：同样采用Ni-Cr系合金箔，工作温度范围覆盖-196℃至250℃。

• KHC系列点焊式高温应变片（500～950℃） ：采用气密结构的胶囊设计，通过点焊固定，安装后可立即测量。

（三）风洞天平专用：应变片组合应用

风洞天平是风洞测力试验的核心设备，在天平弹性元件上粘贴应变片并组成惠斯通电桥，每个电桥主要针对一个自由度上的载荷进行测量。风洞天平通常需要同时测量三个力（法向力、轴向力、横向力）与三个力矩（俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩）。

三、实测案例一：碳纤维机翼模型低速风洞应力监测

案例背景

在某型号无人机机翼气动外形优化项目中，需要在低速风洞中对碳纤维复合材料机翼模型进行表面应变监测，评估不同攻角与风速条件下的应力分布，为结构优化提供数据支撑。

应变片选型

项目选用KYOWA KFGS-2-120-D16-11通用箔式应变片，以十字交叉布局粘贴在机翼表面关键测点。选型理由如下：

• 栅长16mm：既能保证局部应变场的完整采集，又不会因尺寸过大而影响复合材料本身的力学特性

• 聚酰亚胺基底：具有良好的柔韧性，可贴合机翼曲面

• 120Ω标准电阻：适配通用数据采集系统

配套传感器与采集系统

应变片配合LIM3S传感器使用，后者内置温度补偿模块，可有效消除环境温差对测量结果的干扰。LIM3S的数字化信号处理单元将模拟信号转换为24位精度的数字量，通过CAN总线以500Hz的采样频率传输至监测终端。

粘贴工艺

1. 表面处理：对碳纤维机翼表面测点进行打磨与清洁，去除脱模剂与油污

2. 应变片定位：采用十字交叉布局，确保应变片方向与主应力方向一致

3. 粘贴固化：使用KYOWA CC-33A常温硬化型瞬间粘合剂，手指加压（100～300kPa）15～60秒初步定位，静置24小时达到固化强度

测试结果

在风洞试验中，该配置成功识别出0.0015με量级的异常形变，为气动外形优化提供了关键数据支撑。高精度的应变数据使工程师能够精准定位机翼表面的应力集中区域，针对性地进行结构补强与外形修整。

四、实测案例二：高超声速前缘结构电弧风洞高温应变测量

案例背景

高超声速飞行器前缘在大气层中长时间飞行时受热严重（温度可达600℃以上），热应力对结构安全影响重大。在中国空气动力研究与发展中心的电弧风洞中，研究人员对高超声速飞行器前缘结构进行了高温应变测量。

试验条件

• 试验设备：电弧风洞

• 试验模型：碳基复合材料与耐热合金两种材料的前缘模型

• 测量温度：最高600℃

应变片选型

高温环境下的应变测量需选用专用高温应变片。该试验采用的高温应变计能够耐受600℃以上的高温环境，并需经过严格的热输出标定。KYOWA的高温用箔式应变片（如KFU系列350℃、KFHB系列250℃）以及点焊式高温应变片（KHC系列500～950℃）是此类场景的适配选择。

热输出标定

高温应变测量的关键环节是热输出标定——即在无外力加载条件下，单独测量温度变化引起的应变片输出，以便在正式试验数据中予以扣除。这一过程对于确保高温环境下应变数据的真实性至关重要。

测试结果

试验成功获取了前缘模型在600℃高温环境下的应力应变数据，结果表明前缘模型侧面平板的应力状态处于合理水平。实测数据与有限元计算结果进行了对比验证，证明了测量结果的真实性。这些数据对于前缘结构的优化设计起到了重要作用。

五、风洞应变片安装与数据采集要点

（一）应变片筛选与匹配

风洞天平用应变片需经过严格筛选：同一组的应变片电阻相对平均阻值误差应小于0.1%，温度效应也要相近。基底需修剪到满足天平贴片位置的尺寸要求。

（二）粘贴环境控制

风洞天平的粘贴工序对洁净度有严格要求：洁净间空气洁净度等级达到千级，温度控制范围±0.5℃，湿度控制范围±5%。

（三）粘贴质量检验

粘贴完成的应变片需进行质量检验，包括：

• 真空检测：检查胶层是否存在气泡

• 加压固化：在烘箱中加压固化，确保应变片与弹性梁贴合

• 电阻检测：确认粘贴后电阻值无异常变化

（四）数据采集系统配置

风洞应变测量通常采用以下配置：

• 桥路连接：应变片组成惠斯通电桥，将电阻变化转换为电压信号

• 信号调理：通过A/D转换将模拟信号转换为数字量

• 采集设备：KYOWA PCD-400B或UCAM系列数据记录仪，支持多通道同步采集

在飞行器模型顶端内壁、模型框架和天平上分别安装三向应变片，对三个方向测出的应变信号进行频谱分析，可计算出0～300Hz内各频带的能量特征值，用于评估模型的动态响应特性。

六、典型应用场景总结

七、采购建议

KYOWA箔式应变片及配套采集设备均为精密测量仪器，建议从正规授权渠道采购，以确保产品品质与技术支持的可靠性。

玉崎科学仪器（深圳）有限公司作为京都玉崎株式会社在中国的全资子公司，在KYOWA应变测量产品的引进与技术支持方面积累了丰富经验。其优势包括：

• 完整的产品线覆盖：KFGS系列通用箔式应变片、KFU/KFHB系列高温用应变片、KHC系列点焊式高温应变片、风洞天平专用应变片组合方案，以及PCD-400B数据采集仪等全系列产品

• 原装正品保障：承诺品质，已完成严格的入库检验与质量核查

• 配套耗材齐全：CC-33A常温硬化型瞬间粘合剂、高温专用粘合剂、防护密封材料等全套配套产品

• 专业技术支持：可根据用户的具体风洞试验工况（风速/马赫数、温度范围、模型材质、测点位置等）提供精准的应变片选型与安装方案

建议用户在风洞试验项目启动前，充分评估试验工况的温度范围、模型材质与空间限制，必要时可联系玉崎科学的技术团队进行方案论证与产品演示，以确保选型精准、测试可靠。