Design and development of a hybrid Carbon-Aluminium frame for the Moto2 World Championship

The design of motorcycle frames has traditionally relied on incremental improvements and empirical methods, but the increasing performance requirements in racing have made such approaches insufficient. This thesis addresses this challenge by developing and validating advanced methodologies that integrate modern computational and experimental techniques, culminating in the development of a new Moto2 frame. The work combines the use of Sheet Moulding Compound (SMC) composites and structural adhesives to create lightweight hybrid structures, while Finite Element Method (FEM) analyses and topology optimisation are employed to guide geometry refinement and structural validation. SMC was selected for its isotropic-like behaviour, manufacturability, and suitability for variable-thickness components which, when combined with adhesive bonding, enable novel structural solutions that are lighter yet robust. The research was conducted through a dual numerical–experimental workflow. FEM models were used to predict stress and strain distributions, evaluate adhesive joint behaviour, and perform static and fatigue checks under critical load cases. Parallel experimental campaigns, including test rigs and track sessions, were employed to validate simulations and ensure reliability in real-world conditions. Particular focus was given to the design and verification of the new Moto2 chassis and to the optimisation of key subsystems such as the swingarm and the air intake duct. The results demonstrate that the integration of composites, adhesives, FEM, and optimisation tools can produce a motorcycle frame with superior stiffness-to-weight ratios and good fatigue resistance, without increasing mass. This methodology bridges digital modelling and experimental testing, offering a pathway towards lighter, safer, and higher-performing chassis structures.

La progettazione dei telai motociclistici si è tradizionalmente basata su miglioramenti incrementali e metodi empirici, ma le crescenti esigenze prestazionali del mondo delle competizioni hanno reso tali approcci non più sufficienti. Questa tesi affronta tale sfida sviluppando e validando metodologie avanzate che integrano tecniche di calcolo e di sperimentazione, culminando nello sviluppo di un nuovo telaio per la categoria Moto2. Il lavoro combina l’impiego di “Compositi in Stampaggio a Foglia” (SMC) e di adesivi strutturali per realizzare strutture ibride leggere, mentre le analisi tramite Metodo degli Elementi Finiti (FEM) e le tecniche di ottimizzazione topologica sono utilizzate per guidare il perfezionamento geometrico e la validazione strutturale. Lo SMC è stato scelto per il suo comportamento isotropo, la sua facilità di produzione e l’idoneità alla creazione di componenti a spessore variabile, che, in combinazione con l’uso degli adesivi, consentono la realizzazione di soluzioni strutturali innovative, più leggere ma al contempo robuste. La ricerca è stata condotta attraverso un approccio integrato numerico–sperimentale. I modelli FEM sono stati utilizzati per prevedere la distribuzione di tensioni e deformazioni, valutare il comportamento dei giunti adesivi ed eseguire verifiche statiche e a fatica in condizioni di carico critiche. In parallelo, campagne sperimentali tra cui uso di banchi prova e test in pista sono state impiegate per validare le simulazioni e garantire l’affidabilità in condizioni reali. Particolare attenzione è stata dedicata alla progettazione e verifica del nuovo telaio di Moto2 e all’ottimizzazione di sottosistemi chiave quali il forcellone e il condotto di aspirazione dell’airbox. I risultati dimostrano che l’integrazione di compositi, adesivi, FEM e strumenti di ottimizzazione può portare alla realizzazione di un telaio motociclistico con rapporti rigidezza/peso superiori e una buona resistenza a fatica, senza aumento della massa. Tale metodologia rappresenta un collegamento efficace tra modellazione digitale e sperimentazione, aprendo la strada a telai più leggeri, sicuri ed efficienti dal punto di vista prestazionale.