Modelmatig denken
Van Campen: ‘Het bindend element tussen de verschillende disciplines in Stevin is het modelmatig denken. De complexiteit van de ingenieursvraagstukken neemt toe en dat vraagt om een multidisciplinaire aanpak. We brengen het dynamisch gedrag van technische systemen in een model onder met behulp van fysische, chemische en wiskundige inzichten.’
Het beschrijven van verschijnselen in modellen wordt al heel lang toegepast in de fundamentele werktuigkunde als hulpmiddel in het ontwerpproces. Verfijning en uitbreiding van de meetmethoden hebben geleid tot een zodanige toename van het aantal variabelen, dat verdere optimalisering van het ontwerpproces alleen met behulp van nieuwe, grootschalige rekenmethoden mogelijk was. Door hiermee vervolgens numerieke simulaties uit te voeren, kan op het scherm zichtbaar gemaakt worden wat het effect is van wijzigingen in de parameterwaarden. Tenslotte kan op basis van het aldus gevonden optimum via experimenten - op laboratoriumschaal of met een proefmodel - gekeken worden of de gekozen uitgangswaarden correct waren. Met name deze validatiefase maakt dat in het ontwerpproces veel tijdwinst geboekt kan worden, omdat het bouwen van prototypen grotendeels overbodig wordt.
Computational
Een dergelijke aanpak blijkt niet alleen voor de ‘klassiek’ werktuigkundige vraagstellingen geschikt, maar ook voor problemen op andere technologische vakgebieden, zoals in de natuur- en scheikunde. Dat het toepassingsgebied breder is dan alleen de werktuigbouwkunde, komt ook tot uitdrukking in de officiële naam van de onderzoekschool: Stevin Centre for Computational and Experimental Engineering Science.
Met name het ‘computational’ aspect van Stevin sloeg aan bij ECOS, de commissie van de KNAW die de erkenningsaanvragen van onderzoekscholen beoordeelt. Er werd echter geen erkenning afgegeven, men vond dat de school ‘geen eigen missie’ had en dat het totaal aan activiteiten van Stevin niet overzichtelijk genoeg was. Van Campen: ‘De verschillende disciplines staan traditioneel natuurlijk ook los van elkaar. Maar vanuit de betreffende onderzoeksgroepen bezien, vervult Stevin een unieke en onmisbare functie, door hun onderlinge wisselwerking en hun bijdragen in de aanpak van het modelleren.’
Vaatwandvernauwing
In de toelichting op enkele projecten krijgt de samenwerking tussen de disciplines meer gestalte. Een voorbeeld op biomedisch gebied is de analyse van de mechanische interactie tussen bloed en vaatwand.
Vaatwandvernauwing is een ziekte die zich vooral voordoet in bochten en vertakkingen van het vaatstelsel, met name in de halsslag-adervertakking. Het ontstaan van de ziekte hangt samen met een verstoring van de transportproces-sen in de vaatwand, die op hun beurt weer samenhangen met de lokale stromingsfenomenen nabij de vaatwand en de vaatwanddefor-matie. In de numerieke analyse worden rekenmethoden uit de vloeistofmechanica en de vaste-stofmechanica geïntegreerd. Op basis daarvan wordt de interactie tussen de vloeistof en de wand bestudeerd in een experimentele opstelling van flexibele kunststof en een instationaire waterstroom. Daarbij wordt onder andere gebruikgemaakt van rekdistributiemeting, een meetmethode uit de mechanica.
Rekenen
De rol van het numeriek rekenen wordt met een voorbeeld toegelicht door prof.dr. Bob Mattheij, voorzitter van het bestuur van Stevin en in het dagelijks leven als numeriek deskundige werkzaam in de vakgroep Analyse van de faculteit Wiskunde en Informatica.
Mattheij: ‘Stel, je hebt een fysisch vraagstuk, bijvoorbeeld over de dynamica van wervelstructuren in de lucht of in een vloeistof. Alle relevante eigenschappen van zo’n wervel en de omgevingsfactoren worden met behulp van abstracties en generalisaties in een numeriek model beschreven. Met bepaalde parameterwaarden als uitgangspositie worden nu in het model simulaties uitgevoerd. We zoeken naar een verklaring voor zulke wervels en kijken vervolgens of de bij die verklaring gevonden waarden op het scherm een visualisatie opleveren die lijkt op het gesignaleerde verschijnsel. Met natuurkundige experimenten kan die verklaring gevalideerd worden. Zo’n wisselwerking tussen wiskundigen en praktijkgerichte ingenieurs is voor dit soort projecten essentieel en in het algemeen typerend voor het werken binnen Stevin. Er zit overigens een zekere symmetrie in die samenwerking: de wiskunde is ten dele ondersteunend, maar profiteert zelf ook van de vragen die voortkomen uit de technische uitgangssituaties. De uitdaging zit in het via benaderingen aangeven van structuren en in het begrijpen waarom een bepaald type oplossing mogelijk is. En òf er een oplossing is.’
Het onderzoek naar wervels is geïnitieerd vanuit de faculteit Technische Natuurkunde, waar ook de experimenten worden uitgevoerd. Parallel daaraan worden bij Wiskunde de numerieke simulaties gedaan. Dat gebeurt met behulp van ‘contour-dynamica’, waarbij de evolutie van de wervel in de tijd wordt gevolgd. Het levert plaatjes op die vrijwel identiek zijn aan het laboratorium-experiment in een aquarium met zout water. In het water ontstaat stratificatie, een soort gelaagd effect, doordat het zoutgehalte naar boven toe afneemt. Dat effect verhindert dat een ingespoten vloeistof zich in verticale richting verspreidt. Als gevolg van ‘zelforganisatie’ vormt zich een platte, tweedimensionale wervel, die veel overeenkomst vertoont met een in de atmosfeer gefotografeerde wervel.
Carillonklokken
Een totaal ander project betreft het ontwikkelen van numerieke methoden voor het ontwerpen van luid- of carillonklokken. Ir. Rien van Houten is als derdejaars aio belast met de uitvoering van het project, dat loopt bij de vakgroep Fundamentele werktuigkunde.
Van Houten: ‘Het begon een aantal jaren geleden met de vraag van een klokkengieterij naar de mogelijkheid om een zogenaamde grote tertsklok in een majeur akkoord te maken. Bij een carillonklok bestaat een rechtstreekse relatie tussen het klankpatroon (het hoorbare geluid dat de klok uitstraalt) en de vorm van de klok. Door het aanslaan gaat de klok trillen en brengt hij de omringende lucht in beweging; de frequentie (de toon) is afhankelijk van de trilvorm van de klok. Een klok heeft een grondtoon en boventonen, samen deeltonen genoemd. De frequentieverhouding van de deeltonen bepaalt of er sprake is van een mineur of een majeur akkoord.
Klokken waren vroeger altijd in een mineur akkoord en men had slechts een globaal idee omtrent de wijziging van de klokvorm waardoor een majeur akkoord bereikt zou kunnen worden. Om experimenteel vast te stellen welke vorm de juiste is, zou een groot aantal prototypen gemaakt moeten worden. Voor het ontwerp van de gevraagde klok is gebruik gemaakt van vormoptimaliseringstechnieken. Daarbij is het model met een aantal variabelen beschreven, zoals wanddikte en straal. Vervolgens wordt in het model de geometrische structuur gewijzigd door de waarden van de variabelen te veranderen, waarbij steeds het verschil tussen de werkelijke en de gewenste frequentieverhouding berekend wordt. Op basis van die numerieke optimalisering is een prototype gegoten, waaraan de gebruikte parameters gevalideerd konden worden. Tenslotte kon een klok gemaakt worden met precies het gewenste klankpatroon. Inmiddels loopt het bovengenoemde vervolgproject, waarbij naast de frequenties ook het uitdempen van de tonen en het aanslaan in de optimalisatie worden meegenomen.’
Micro-niveau
Uit de faculteit Scheikundige Technologie nemen de groepen Polymeren, Keramische materialen en Procestechnologie deel aan multidisciplinair onderzoek binnen Stevin. Polymeren vertonen niet-lineair, tijdsafhankelijk materiaalgedrag, doordat ze visco-elastisch zijn, ook in vaste fase vloeien ze nog. Qua gedrag zitten ze dus tussen vaste stof en vloeistof in, waardoor naast Mechanica en Materialen van Werktuigbouwkunde, ook Stromingsleer van Natuurkunde in het onderzoek een rol spelen. Voor het onderzoek naar het gedrag en de eigenschappen van polymeren wordt gebruik gemaakt van de modelleringskracht van de fundamentele werktuigkunde en van de meetmethoden, de input van de parameters, van zowel W als N.
Een voorbeeld is het beïnvloeden van de eigenschappen van stoffen tijdens het produktieproces. In de materiaalkunde is dat al een heel oud gegeven. Nu gemeten en berekend kan worden op micro-niveau, blijkt dat met behulp van micromechanica en breukmechanica voorspellingen gedaan kunnen worden over eigenschappen van kunststoffen op macroniveau (zie ook het artikel over de onderzoekschool Polymeren PTN in Cursor 23).
Ook bij Procestechnologie staat de samenwerking met andere faculteiten hoog in het vaandel. Zo loopt er al vele jaren een project over vochttransport in klei. Men kijkt naar het drooggedrag van de klei onder geconditioneerde omstandigheden van druk, temperatuur en luchtvochtigheid. Het gaat om het drogen vóórdat de klei in de oven gaat voor het bakproces. Met behulp van meettechnieken gebaseerd op kernspinresonantie kan bij Technische Natuurkunde de vochthuishouding in kaart gebracht worden. Het onderzoek is niet alleen voor de baksteenindustrie van belang, het geeft ook inzicht in het verdampingsgedrag in andere poreuze materialen. Om in bouwmaterialen het evenwicht te meten van de waterconcentratie in damp- en in vloeistoffase gebruikt de faculteit Bouwkunde technieken die bij Scheikunde ontwikkeld zijn. Bij de faculteit Wiskunde en Informatica houdt men zich bezig met de numerieke simulatie.
Dubbelbenoeming
De gezamenlijke interessegebieden van de partners in Stevin hebben geleid tot het instellen van enkele leerstoelen die in meer dan één faculteit een thuisbasis hebben. Zo heeft de Kunststoftechnologie een hoogleraarsplaats samen met de Fundamentele werktuigkunde, ieder voor vijftig procent. Op het gebied van de Systeem- en regeltechniek zijn zelfs twee dubbelbenoemingen gerealiseerd, de ene tussen W en N, de andere tussen N en T.
De breedte van de belangstellingsgebieden van Stevin weerspiegelt zich ook in het vijfdaagse symposium dat onder auspiciën van de prestigieuze International Union of Theoretical and Applied Mechanics wordt georganiseerd. Het symposium, dat duurt van 21 tot 26 april, is geheel gewijd aan de interactie tussen dynamica en regeltechniek in geavanceerde mechanische systemen. In het programma wordt veel aandacht besteed aan modellering en simulaties.
Onderwijs
De multidisciplinaire aanpak van het onderzoek in Stevin stelt hoge eisen aan de aio’s. Naast een gedegen opleiding op hun eigen vakgebied moeten ze een brede belangstelling hebben en multidisciplinair kunnen werken. Mede daarom zijn binnen Stevin ruim dertig cursussen ontwikkeld, waarvan de meeste faculteitsoverschrijdend zijn. Ze beslaan meestal vijf dagen, verspreid over enkele weken. Voor elke aio wordt een op zijn onderzoekproject en zijn vooropleiding toegesneden studieprogramma samengesteld, waarvan de hoofdmoot uit eigen Stevin-cursussen bestaat. Aan de onderzoekschool zijn ongeveer vijftig aio’s verbonden, verdeeld over de vier participerende faculteiten.
In tweejarige ontwerpersopleidingen is Stevin eveneens actief. De onderzoekschool is Eindhovense kartrekker van de landelijke ontwerpersopleiding Computational Mechanics en neemt deel in de opleiding Procestechnologie: Proces en Produktontwerp.
Ook bij het eerstefase onderwijs wordt het multidisciplinaire denken uitgedragen: Stevin-docenten geven een aantal vakken die nadrukkelijk de grenzen van het eigen vakgebied overschrijden. Aan modelmatige aanpak wordt eveneens aandacht besteed. Het gaat om colleges met voor zichzelf sprekende titels als Wiskundig Gereedschap en Materialen en Constitutief Gedrag. Daardoor manifesteert de onderzoekschool Stevin zich tevens als een onderwijsinstituut, waarvan opvalt dat het niet alleen grensoverschrijdend maar vooral ook grensverleggend bezig is.
| Hoofdlijnen van onderzoek - Overdrachtsprocessen van massa, impuls en energie - Mechanica van materialen - Biomedische technologie - Dynamica en regelen van systemen en processen |