Verifica strutturale di un serbatoio in parete sottile per la competizione MotoStudent

This thesis work focuses on the structural design and verification of the e-fuel tank for the racing prototype of the QuartodiLitro team, developed to compete in the 2026-2027 edition of the international MotoStudent competition. The thesis is structured into a preliminary preparatory section focused on the theoretical study of the Finite Element Method (FEM) and subsequent practical training using ANSYS Workbench software, aimed at convergence analysis and the validation of computational results against analytical stress concentration models, specifically Peterson's stress concentration factors. Subsequently, the real-world case study of the fuel tank is addressed, analyzing the geometric constraints and loads prescribed by the competition regulations. Based on powertrain and packaging requirements within the motorcycle's tail fairing, a preliminary analytical sizing of the aluminum alloy sheet thickness is performed by comparing different approaches, namely the thin-walled cylindrical idealization, the empirical standard ISO 21029 for cryogenic vessels, classical formulations from the Engineer’s Manual, and the BS EN 13445-3:2021 standard. The different thicknesses resulting from the analytical sizing were then subjected to three-dimensional numerical structural verification using FEM codes. The analysis highlighted the inadequacy of a completely flat-sheet configuration due to the severe bending moments generated by the design pressure of 3.5 bar. In order to optimize the component and minimize its mass, two alternative solutions were investigated and compared: the integration of localized structural stiffeners and the introduction of a single-curvature geometry on the bottom wall. The numerical results indicate that adopting the curved design drastically mitigates the stress state, safely allowing a thickness reduction down to 1.5 mm. Finally, the thesis presents a fatigue verification of the frame mounts subjected to the fluid sloshing effect during maximum braking. Using the local Notch Stress approach applied to a two-dimensional model of the welded joint and the FAT 71 design curve, the reliability and fatigue life of the designed mounts are estimated, confirming the overall validity of the engineering choices adopted.

Il presente lavoro di tesi si propone di effettuare la progettazione e la verifica strutturale del serbatoio per il carburante e-fuel del prototipo da competizione del team QuartodiLitro, destinato alla partecipazione alla competizione internazionale MotoStudent per l'edizione 2026-2027. L'elaborato si articola in una prima parte propedeutica incentrata sullo studio teorico del Metodo agli Elementi Finiti e sul successivo addestramento pratico tramite il software ANSYS Workbench, finalizzato all'analisi di convergenza e alla validazione dei risultati computazionali rispetto ai modelli analitici di concentrazione delle tensioni (tabelle di Peterson). Successivamente, viene affrontato il caso studio reale del serbatoio, analizzando i vincoli geometrici e i carichi previsti da regolamento. Sulla base dei requisiti motoristici e di packaging all'interno del codone della motocicletta, viene eseguito un dimensionamento preliminare analitico dello spessore delle lamiere in lega d'alluminio confrontando diversi approcci: l'idealizzazione cilindrica in parete sottile, la normativa empirica ISO 21029 per recipienti criogenici, le formulazioni classiche del Manuale dell'Ingegnere e la normativa BS EN 13445-3:2021. I diversi spessori emersi dal dimensionamento analitico sono stati quindi sottoposti a verifica strutturale numerica tridimensionale tramite codici FEM. L'analisi ha messo in luce l'inadeguatezza di una configurazione a lamiere completamente piane a causa dei severi momenti flettenti generati dalla pressione di calcolo (3,5 bar). Al fine di ottimizzare il componente e minimizzarne la massa, sono state investigate e confrontate due soluzioni alternative: l'inserimento di irrigiditori strutturali localizzati e l'introduzione di una geometria a singola curvatura sulla parete inferiore. I risultati numerici indicano che l'adozione del design curvo consente di attenuare drasticamente lo stato tensionale, permettendo una riduzione in sicurezza dello spessore fino a 1,5 mm. In ultima analisi, l'elaborato presenta una verifica a fatica degli ancoraggi al telaio soggetti all'effetto dello sloshing del fluido in fase di massima staccata. Mediante l'approccio locale Notch Stress applicato a un modello bi-dimensionale del giunto saldato e l'utilizzo della curva FAT 71, viene stimata l'affidabilità e la durata in vita degli attacchi progettati, confermando la validità complessiva delle scelte ingegneristiche adottate.