OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA CON IL METODO FEM DI UNA BIELLA PER UN MOTORE DA COMPETIZIONE.

This thesis focuses on the structural optimization of a connecting rod intended for a racing internal combustion engine, with the primary objective of reducing reciprocating mass while maintaining high standards of stiffness and reliability. In a racing context, minimizing the inertia of the crank-train components is crucial for increasing rotational speed and reducing stress on mechanical parts. The methodology began with characterizing the stress state of the original component using Finite Element Analysis (FEM). Critical loads acting during the thermodynamic cycle were modeled, accounting for both pressure forces resulting from combustion at Top Dead Center (TDC) and tensile inertial loads at maximum rotational speeds. Subsequently, topology optimization was applied by defining a design space and establishing appropriate geometric and mechanical constraints. The resulting design was organic in nature, characterized by a superior strength-to-weight ratio compared to traditional geometries. The final phase of the work involved re-engineering the optimized model to ensure manufacturing feasibility, followed by structural validation through a second FEM analysis. The results demonstrate a mass reduction compared to the baseline configuration while ensuring safety factors adequate for the fatigue stresses typical of racing applications.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sull'ottimizzazione strutturale di una biella destinata a un motore a combustione interna da competizione, con l’obiettivo primario di ridurre le masse alterne mantenendo elevati standard di rigidezza e affidabilità. In un contesto racing, la minimizzazione dell’inerzia dei componenti del manovellismo è cruciale per l’incremento del regime di rotazione e la riduzione delle sollecitazioni sugli organi meccanici. L'iter metodologico ha previsto inizialmente la caratterizzazione dello stato tensionale del componente originale attraverso l’analisi agli elementi finiti (FEM). Sono stati modellati i carichi critici agenti durante il ciclo termodinamico, considerando sia le forze di pressione derivanti dalla combustione al PMS (punto morto superiore), sia i carichi inerziali di trazione alle massime velocità di rotazione. Successivamente, è stata applicata la tecnica dell’ottimizzazione topologica. Definendo un volume di controllo (design space) e impostando opportuni vincoli geometrici e meccanici. Il risultato ottenuto è stato un design organico, caratterizzato da un rapporto resistenza/peso superiore rispetto alle geometrie tradizionali. La fase finale del lavoro ha riguardato la re-ingegnerizzazione del modello ottimizzato per garantirne la fattibilità tecnologica e la successiva validazione strutturale tramite una seconda analisi FEM. I risultati ottenuti mostrano una riduzione della massa rispetto alla configurazione di riferimento, garantendo al contempo fattori di sicurezza adeguati alle sollecitazioni di fatica tipiche delle applicazioni racing.