實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：

本項(xiàng)目依托東南大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和江蘇省土木建筑虛擬仿真共享平臺(tái)對(duì)外開(kāi)放服務(wù)，基于東南大學(xué)光測(cè)力學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研成果和國(guó)家重大工程實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的運(yùn)載火箭變形測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。將社會(huì)責(zé)任、家國(guó)情懷和立德樹(shù)人等德育要素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，觸發(fā)學(xué)生對(duì)大國(guó)工匠精神的理解，向?qū)W生傳遞正確的價(jià)值觀和理想信念。項(xiàng)目彌補(bǔ)了實(shí)際測(cè)量中構(gòu)建尺寸巨大、場(chǎng)地受限、操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高、參與重型運(yùn)載火箭實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)有限等因素限制。

涵蓋了《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》課程內(nèi)容。項(xiàng)目包含2個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、對(duì)應(yīng)課程大綱的12個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步掌握變形測(cè)量的技術(shù)原理和操作方法。培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和解決大型綜合性工程的能力。

項(xiàng)目采用多種教學(xué)方法，自主式教學(xué)方法可以引導(dǎo)學(xué)生更好更快地掌握所需知識(shí)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法圍繞問(wèn)題導(dǎo)向的任務(wù)線索展開(kāi)，情景互動(dòng)式充分發(fā)揮項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，開(kāi)展情景體驗(yàn)教學(xué)，容錯(cuò)探究式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自主、開(kāi)放性提出不同參數(shù)的選擇。采用類(lèi)比法、觀察法、控制變量法、自主設(shè)計(jì)法等實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成大型工程測(cè)量工作。

本項(xiàng)目來(lái)源于實(shí)際工程應(yīng)用，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，將知識(shí)學(xué)習(xí)和能力提升有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生探究得到個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性強(qiáng)、挑戰(zhàn)度高，實(shí)驗(yàn)仿真程序和模擬數(shù)據(jù)均來(lái)源于實(shí)際程序和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用Web GL圖形技術(shù)，3D仿真技術(shù)等手段對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量部件和設(shè)備進(jìn)行建模，高度還原了模型功能。

本項(xiàng)目面向高校和社會(huì)免費(fèi)開(kāi)放，已在相關(guān)高校和行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的科研院所得到應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)背景：

重型運(yùn)載火箭是我國(guó)“大國(guó)重器”之一，可滿足不同任務(wù)載荷、不同軌道的多樣化發(fā)射需求，大大提升了我國(guó)進(jìn)入深空探索的能力，有力地促進(jìn)了中國(guó)載人航天、空間站、火星探測(cè)等航天事業(yè)的發(fā)展，體現(xiàn)了我國(guó)的綜合國(guó)力。在重型運(yùn)載火箭升空過(guò)程中，由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力巨大，火箭艙體需要承受巨大的載荷?；鸺擉w是一種薄壁結(jié)構(gòu)，在巨大的載荷下容易發(fā)生屈曲變形，影響火箭的正常運(yùn)行。因此工程師們往往將火箭艙體設(shè)計(jì)得過(guò)度安全，增加了大量不必要的重量。

為檢測(cè)火箭艙體的缺陷，研究屈曲可能發(fā)生的位置，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，需要測(cè)量火箭艙段在負(fù)載下的全場(chǎng)變形。實(shí)驗(yàn)力學(xué)中傳統(tǒng)的變形測(cè)量手段如應(yīng)變片測(cè)量、激光位移計(jì)測(cè)量等只能提供單點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)，無(wú)法勝任全場(chǎng)多點(diǎn)測(cè)量的任務(wù)。近年來(lái)，基于數(shù)字圖像的光學(xué)測(cè)量方法發(fā)展迅速，其中數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation, DIC）因其非接觸、無(wú)損、全場(chǎng)測(cè)量、精度較高、抗環(huán)境干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，在土木工程、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用的廣泛。在滿足超大型結(jié)構(gòu)高精度測(cè)量的需求時(shí)，采用多相機(jī)組網(wǎng)的多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法更是擁有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

本實(shí)驗(yàn)中利用多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量火箭艙段表面在負(fù)載下的全場(chǎng)變形，是實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理等多學(xué)科知識(shí)的交叉融合，能夠很好地培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)力學(xué)專業(yè)人才解決大型綜合性工程的能力。然而，多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量火箭艙段變形測(cè)試實(shí)際教學(xué)面臨嚴(yán)重困難，具體包括：1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，測(cè)試成本高，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜度高。2、實(shí)驗(yàn)基于國(guó)家制定的運(yùn)載火箭研發(fā)計(jì)劃，缺乏實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)且涉密。3、運(yùn)載火箭艙段尺寸巨大，而且需要使用包括大型液壓機(jī)在內(nèi)的眾多大型設(shè)備，場(chǎng)地受限，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)等。

因此，開(kāi)展運(yùn)載火箭變形測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生參與大國(guó)工程的積極性和主動(dòng)性、提升學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，是提高《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》等相關(guān)課程教學(xué)水平的必然舉措。

設(shè)計(jì)原則：

實(shí)驗(yàn)本著“虛實(shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)理念，圍繞航空航天工程中的實(shí)際測(cè)量需求，融合先進(jìn)的現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打造仿真度高、設(shè)計(jì)合理、趣味性強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)，著重培養(yǎng)學(xué)生解決綜合工程難題的能力?？捎糜诹W(xué)、機(jī)械、土木工程等專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)，滿足《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》等課程的實(shí)驗(yàn)需求。具體體現(xiàn)為：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了“兩性一度”的一流課程標(biāo)準(zhǔn)

高階性：本實(shí)驗(yàn)中，多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量大型結(jié)構(gòu)的變形是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，包含四個(gè)環(huán)節(jié)、眾多操作步驟和多個(gè)影響測(cè)量結(jié)果的因素。學(xué)生必須在充分理解背景知識(shí)和任務(wù)目標(biāo)的前提下，才能完整、自主地完成每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和探究式的高級(jí)思維。

創(chuàng)新性：測(cè)量火箭艙段全場(chǎng)變形，是隨著我國(guó)近年來(lái)重型運(yùn)載火箭的發(fā)展而對(duì)實(shí)驗(yàn)力學(xué)提出的新課題、新挑戰(zhàn)。本實(shí)驗(yàn)圍繞航空航天工程中的實(shí)際測(cè)量需求，融合先進(jìn)的多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打造了仿真度高、互動(dòng)性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新型。

挑戰(zhàn)度：本實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和眾多科技前沿，且實(shí)驗(yàn)中每環(huán)節(jié)都需要通過(guò)學(xué)習(xí)新知識(shí)，自主設(shè)計(jì)測(cè)量方案才能完成測(cè)量任。鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)吸收新知識(shí)的能力和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，具有一定的挑戰(zhàn)度。

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、層層推進(jìn)

學(xué)生每完成一個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)都將習(xí)得一定的實(shí)驗(yàn)理論、方法和技能，并通過(guò)探究學(xué)習(xí)本環(huán)節(jié)重點(diǎn)考察的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生還能發(fā)現(xiàn)本環(huán)節(jié)所用方法的不足，為開(kāi)始下一環(huán)節(jié)的任務(wù)做準(zhǔn)備。各環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)有機(jī)融合，通過(guò)容錯(cuò)、探究式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和探究式的思維方式。

（3）堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案主要采用了任務(wù)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法，學(xué)生在完成某一具體任務(wù)的過(guò)程中，自然地習(xí)得實(shí)驗(yàn)方法和技能，并探究可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素。實(shí)驗(yàn)情景真實(shí)、吸引力強(qiáng)，有一定的趣味性，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。本實(shí)驗(yàn)還將止于至善的精神和愛(ài)國(guó)主義教育融入教學(xué)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)自主完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，深入理解數(shù)字圖像相關(guān)這種非接觸式測(cè)量方法在航天領(lǐng)域的重要價(jià)值，潛移默化的激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)、投身祖國(guó)建設(shè)的使命感。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》課程大綱及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合航空航天工程中運(yùn)載火箭艙段變形測(cè)試的應(yīng)用背景，以多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)為主要測(cè)試方法，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在培養(yǎng)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的思維方式和解決大型綜合性工程的能力。

具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/font>

（1）通過(guò)環(huán)節(jié)一艙段屈曲變形，使學(xué)生通過(guò)觀察生活中易拉罐受壓變形現(xiàn)象，直觀理解火箭艙段薄壁結(jié)構(gòu)屈曲變形的現(xiàn)象、原理和測(cè)量需求，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)生活中有趣問(wèn)題，并積極思考解決方案的能力；通過(guò)學(xué)習(xí)背景知識(shí)和自測(cè)題檢驗(yàn)，使學(xué)生更好得了解和把握基于視覺(jué)的非接觸動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法。培養(yǎng)學(xué)生參與國(guó)家重大工程的熱情和興趣。

（2）通過(guò)環(huán)節(jié)二力學(xué)參數(shù)測(cè)定，幫助學(xué)生掌握相機(jī)和鏡頭的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理，并探究離面位移對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量金屬材料力學(xué)性能的任務(wù)為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)二維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力，并通過(guò)環(huán)節(jié)二讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到二維測(cè)量的局限性，為下一環(huán)節(jié)的三維測(cè)量做鋪墊。

（3）通過(guò)環(huán)節(jié)三三維變形測(cè)量，幫助學(xué)生掌握雙目視覺(jué)原理、三維數(shù)字圖像相關(guān)原理、雙相機(jī)立體標(biāo)定原理等知識(shí)，并探究相機(jī)夾角對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量火箭艙段局部變形的任務(wù)為導(dǎo)向，使學(xué)生具備從實(shí)際測(cè)量需求的角度設(shè)計(jì)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力，并通過(guò)環(huán)節(jié)二讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到局部三維測(cè)量的局限性，為下一環(huán)節(jié)的全場(chǎng)測(cè)量做鋪墊。

（4）通過(guò)環(huán)節(jié)四全周變形測(cè)量，幫助學(xué)生掌握多相機(jī)的布置原則、基于編碼點(diǎn)的單相機(jī)三維重構(gòu)方法和多相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一方法，并探究相機(jī)擾動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。以測(cè)量火箭艙段受荷全周變形任務(wù)為導(dǎo)向，使學(xué)生具備根據(jù)工程實(shí)際需求，設(shè)計(jì)多相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量方案的能力。

實(shí)驗(yàn)要求：

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

本實(shí)驗(yàn)屬于東南大學(xué)必修課程《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》、《現(xiàn)代力學(xué)測(cè)試技術(shù)》，該課程面向全校工科專業(yè)大三至大四的學(xué)生任選。

（2）基本知識(shí)和能力要求

數(shù)字圖像相關(guān)方法在變形測(cè)試中的應(yīng)用廣泛，具有一定的前沿性。多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)方法涉及理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)課程和數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等計(jì)算機(jī)類(lèi)課程，多學(xué)科高度交叉融合，是跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨能力范疇的綜合性課程。本課程的先修課包括理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)課程以及一些基礎(chǔ)的光學(xué)知識(shí)。

學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程之前所需掌握的主要能力和知識(shí)結(jié)構(gòu)包括：

要求學(xué)生了解相機(jī)的基本原理知識(shí)。

要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理。

要求學(xué)生掌握力學(xué)參數(shù)測(cè)定、結(jié)構(gòu)變形等力學(xué)基礎(chǔ)。

要求學(xué)生掌握雙目立體視覺(jué)等計(jì)算機(jī)視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)。