ANALISI STRUTTURALE E OTTIMIZZAZIONE DIMENSIONALE DI UN ALBERO MOTORE D'EPOCA: IL CASO ALFA ROMEO GIULIA 1600 TI

The aim of the present work is the application of advanced Finite Element Analysis (FEA) methods to a historic automotive component: the crankshaft of the Alfa Romeo Giulia 1600 TI. The study seeks to prove how traditional analytical methods, prior to the rise of virtual simulation, enforced highly conservative design approaches. Following a historical overview and a comprehensive description of the engine, a virtual reconstruction of the crank mechanism was performed in the 3D modeling software Autodesk Inventor on the basis of technical drawings from an official workshop manual. Subsequently, assuming the peak engine power output as the most critical operating condition, the open-source software Cantera was employed to evaluate the maximum theoretical performance of the engine by modeling a fuel-air Otto cycle, taking into account variable specific heats and chemical dissociation. Once the gas pressure forces acting on the pistons were determined, the crank mechanism was subjected to dynamic and structural analyses in Ansys Mechanical. Through a modal analysis of the crankshaft, it was established that no resonance occurs under the selected operating conditions, rendering a transient structural analysis entirely redundant. Consequently, a quasi-static decoupled approach was adopted: first, a rigid-body dynamic analysis of the crank mechanism was conducted to assess the most critical force combinations acting on the crankshaft; these loads were then applied to a static structural analysis of the crankshaft alone in order to study its mechanical strength and multiaxial fatigue behaviour, both of which numerically verified the well-known robustness of the original engine. In conclusion, a parametric dimensional optimization of the main journal fillets was carried out, confirming a slight reduction in peak stresses as the fillet radius was increased within the vehicle manufacturer's specifications.

L'obiettivo del presente lavoro è l'applicazione di metodologie avanzate di Analisi agli Elementi Finiti (FEA) a un componente motoristico d'epoca: l'albero a gomiti dell'Alfa Romeo Giulia 1600 TI. Lo studio si propone di dimostrare come i metodi di calcolo analitico tradizionali, antecedenti all'avvento della simulazione virtuale, imponessero approcci progettuali fortemente conservativi. Dopo un inquadramento storico e una descrizione esaustiva del motore, si è proceduto alla ricostruzione virtuale del manovellismo nel software di modellazione 3D Autodesk Inventor sulla base di disegni contenuti in un manuale di officina. Successivamente, assunta come condizione più critica quella di massima potenza erogata dal motore, è stato utilizzato il software open-source Cantera per valutare le massime prestazioni teoriche del motore, modellando un ciclo Otto limite che tenesse conto della variazione dei calori specifici e della dissociazione chimica. Determinate le forze di pressione agenti sugli stantuffi, il manovellismo è stato sottoposto a un'indagine dinamica e strutturale su ANSYS Mechanical. Con un'analisi modale dell'albero, si è stabilito che nelle condizioni di funzionamento scelte esso non si trovasse in condizioni di risonanza. Si è così rivelato del tutto superfluo eseguire un’analisi strutturale in transitorio, optando invece per un approccio quasi statico disaccoppiato: a partire da un'analisi dinamica rigida del manovellismo, si sono determinate prima le combinazioni più gravose delle forze indotte sull'albero; queste sono state poi inserite in un’analisi strutturale statica del solo albero motore finalizzata a studiarne la resistenza meccanica e il comportamento in regime di fatica multiassiale, i quali hanno entrambi dimostrato numericamente la nota robustezza del propulsore originario. In conclusione, è stata condotta un’analisi parametrica per l’ottimizzazione dimensionale dei raccordi nei perni di banco, che ha confermato una lieve diminuzione della tensione massima all’aumentare del raggio di raccordo entro i valori prescritti dalla casa automobilistica.