实验简介：
本项目依托东南大学土木工程国家级虚拟仿真实验教学中心和江苏省土木建筑虚拟仿真共享平台对外开放服务，基于东南大学光测力学团队的科研成果和国家重大工程实践，开发出具有独立知识产权的运载火箭变形测试虚拟仿真实验项目。将社会责任、家国情怀和立德树人等德育要素融入实验教学项目的各个环节，触发学生对大国工匠精神的理解，向学生传递正确的价值观和理想信念。项目弥补了实际测量中构建尺寸巨大、场地受限、操作复杂、实验成本高、参与重型运载火箭实验机会有限等因素限制。
涵盖了《实验力学》《现代力学测试技术》课程内容。项目包含2个实验学时、对应课程大纲的12个关键知识点。通过本实验，使学生逐步掌握变形测量的技术原理和操作方法。培养学生的探究思维和解决大型综合性工程的能力。
项目采用多种教学方法，自主式教学方法可以引导学生更好更快地掌握所需知识，任务驱动式教学方法围绕问题导向的任务线索展开，情景互动式充分发挥项目优势，开展情景体验教学，容错探究式教学方法引导学生自主、开放性提出不同参数的选择。采用类比法、观察法、控制变量法、自主设计法等实验方法，使学生在虚拟环境中完成大型工程测量工作。
本项目来源于实际工程应用，坚持以学生为中心的实验教学理念，将知识学习和能力提升有机融合，引导学生探究得到个性化的实验结果。实验创新性强、挑战度高，实验仿真程序和模拟数据均来源于实际程序和实测数据，同时采用Web GL图形技术，3D仿真技术等手段对实验环境、测量部件和设备进行建模，高度还原了模型功能。
本项目面向高校和社会免费开放，已在相关高校和行业内领先的科研院所得到应用。
实验背景：
重型运载火箭是我国“大国重器”之一，可满足不同任务载荷、不同轨道的多样化发射需求，大大提升了我国进入深空探索的能力，有力地促进了中国载人航天、空间站、火星探测等航天事业的发展，体现了我国的综合国力。在重型运载火箭升空过程中，由于火箭发动机推力巨大，火箭舱体需要承受巨大的载荷。火箭舱体是一种薄壁结构，在巨大的载荷下容易发生屈曲变形，影响火箭的正常运行。因此工程师们往往将火箭舱体设计得过度安全，增加了大量不必要的重量。
为检测火箭舱体的缺陷，研究屈曲可能发生的位置，增强结构设计的可靠性，需要测量火箭舱段在负载下的全场变形。实验力学中传统的变形测量手段如应变片测量、激光位移计测量等只能提供单点的变形数据，无法胜任全场多点测量的任务。近年来，基于数字图像的光学测量方法发展迅速，其中数字图像相关方法（Digital Image Correlation, DIC）因其非接触、无损、全场测量、精度较高、抗环境干扰强等特点，在土木工程、航空航天、生物医学等领域得到了应用的广泛。在满足超大型结构高精度测量的需求时，采用多相机组网的多相机数字图像相关测量方法更是拥有其他方法无可比拟的优越性。
本实验中利用多相机数字图像相关方法测量火箭舱段表面在负载下的全场变形，是实验力学、结构力学、材料力学、计算机视觉、数字图像处理等多学科知识的交叉融合，能够很好地培养实验力学专业人才解决大型综合性工程的能力。然而，多相机数字图像相关方法测量火箭舱段变形测试实际教学面临严重困难，具体包括：1、实验准备周期长，测试成本高，实验操作复杂度高。2、实验基于国家制定的运载火箭研发计划，缺乏实验机会且涉密。3、运载火箭舱段尺寸巨大，而且需要使用包括大型液压机在内的众多大型设备，场地受限，现场实验具有一定的安全风险等。
因此，开展运载火箭变形测试虚拟仿真实验教学，能够调动学生参与大国工程的积极性和主动性、提升学生工程实践能力和创新思维能力，是提高《实验力学》、《现代力学测试技术》等相关课程教学水平的必然举措。
设计原则：
实验本着“虚实结合”的设计理念，围绕航空航天工程中的实际测量需求，融合先进的现代力学测试技术和真实实验数据，打造仿真度高、设计合理、趣味性强的虚拟实验，着重培养学生解决综合工程难题的能力。可用于力学、机械、土木工程等专业的课程实验，满足《实验力学》、《现代力学测试技术》等课程的实验需求。具体体现为：
（1）实验内容的设计体现了“两性一度”的一流课程标准
高阶性：本实验中，多相机数字图像相关方法测量大型结构的变形是一项复杂的系统性工程，包含四个环节、众多操作步骤和多个影响测量结果的因素。学生必须在充分理解背景知识和任务目标的前提下，才能完整、自主地完成每个环节的实验，能够培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的高级思维。
创新性：测量火箭舱段全场变形，是随着我国近年来重型运载火箭的发展而对实验力学提出的新课题、新挑战。本实验围绕航空航天工程中的实际测量需求，融合先进的多相机数字图像相关技术和真实实验数据，打造了仿真度高、互动性强、趣味性强的虚拟仿真实验，体现了实验的创新型。
挑战度：本实验涉及多个学科的基础知识和众多科技前沿，且实验中每环节都需要通过学习新知识，自主设计测量方案才能完成测量任。锻炼学生学习吸收新知识的能力和自主设计实验方案的能力，具有一定的挑战度。
（2）实验环节环环相扣、层层推进
学生每完成一个环节的学习都将习得一定的实验理论、方法和技能，并通过探究学习本环节重点考察的影响实验结果的因素。在实验过程中，学生还能发现本环节所用方法的不足，为开始下一环节的任务做准备。各环节中引导学生将知识学习和实验方案设计有机融合，通过容错、探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式。
（3）坚持以学生为中心的教学设计
实验方案主要采用了任务导向的设计方法，学生在完成某一具体任务的过程中，自然地习得实验方法和技能，并探究可能对实验结果产生影响的因素。实验情景真实、吸引力强，有一定的趣味性，能够调动学生的学习兴趣和积极性。本实验还将止于至善的精神和爱国主义教育融入教学过程。学生通过自主完成实验学习任务，深入理解数字图像相关这种非接触式测量方法在航天领域的重要价值，潜移默化的激发学生科技报国、投身祖国建设的使命感。
实验目标：
本实验根据《实验力学》、《现代力学测试技术》课程大纲及关键知识点，结合航空航天工程中运载火箭舱段变形测试的应用背景，以多相机数字图像相关技术为主要测试方法，构建了虚拟仿真实验平台，旨在培养学生探究式学习的思维方式和解决大型综合性工程的能力。
具体的实验目的：
（1）通过环节一舱段屈曲变形，使学生通过观察生活中易拉罐受压变形现象，直观理解火箭舱段薄壁结构屈曲变形的现象、原理和测量需求，培养学生善于发现生活中有趣问题，并积极思考解决方案的能力；通过学习背景知识和自测题检验，使学生更好得了解和把握基于视觉的非接触动态变形测量方法。培养学生参与国家重大工程的热情和兴趣。
（2）通过环节二力学参数测定，帮助学生掌握相机和镜头的基础知识、数字图像相关方法的基本原理，并探究离面位移对测量精度的影响。以测量金属材料力学性能的任务为导向，培养学生设计二维数字图像相关方法测量方案的能力，并通过环节二让学生认识到二维测量的局限性，为下一环节的三维测量做铺垫。
（3）通过环节三三维变形测量，帮助学生掌握双目视觉原理、三维数字图像相关原理、双相机立体标定原理等知识，并探究相机夹角对测量精度的影响。以测量火箭舱段局部变形的任务为导向，使学生具备从实际测量需求的角度设计三维数字图像相关方法测量方案的能力，并通过环节二让学生认识到局部三维测量的局限性，为下一环节的全场测量做铺垫。
（4）通过环节四全周变形测量，帮助学生掌握多相机的布置原则、基于编码点的单相机三维重构方法和多相机坐标系统一方法，并探究相机扰动对测量精度的影响。以测量火箭舱段受荷全周变形任务为导向，使学生具备根据工程实际需求，设计多相机三维数字图像相关方法测量方案的能力。
实验要求：
（1）专业与年级要求
本实验属于东南大学必修课程《实验力学》、《现代力学测试技术》，该课程面向全校工科专业大三至大四的学生任选。
（2）基本知识和能力要求
数字图像相关方法在变形测试中的应用广泛，具有一定的前沿性。多相机数字图像相关方法涉及理论力学、材料力学等基础力学课程和数字图像处理、计算机视觉等计算机类课程，多学科高度交叉融合，是跨专业、跨学科、跨能力范畴的综合性课程。本课程的先修课包括理论力学、材料力学等基础力学课程以及一些基础的光学知识。
学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构包括：
要求学生了解相机的基本原理知识。
要求学生掌握数字图像相关方法基本原理。
要求学生掌握力学参数测定、结构变形等力学基础。
要求学生掌握双目立体视觉等计算机视觉基础知识。
