1 车架材料研究
自行车车架可由多种不同材料制成，包括钢、铝、碳纤维和钛。这些材料中的每一种都有其优点和缺点，具体取决于自行车的预期用途和价格范围。赛车车架的两个最重要的物理特性是刚度和密度。为了使自行车最有效地运行，它必须具有高的底部支架刚度，以便骑车人施加的力尽可能有效地转化为向前运动[A1]。尽管如此，车架本身必须具有足够的吸水性，以使自行车能够实现平稳舒适的骑行，并且足够轻，以便骑车人在骑车时不必消耗不必要的能量[A2]。
碳纤维因其高刚度/低重量特性而成为公路自行车使用的主要材料之一，其最有用的方面之一是可以通过改变编织图案和纤维方向来改变其材料特性。研究表明，当载荷平行于纤维方向传递时，碳纤维的强度最强 [A3]。这是竹子所共有的特性，它已被证明是一种高强度和低密度的天然复合材料，在许多方面非常适合自行车车架。
竹子是由存在于木质素碳水化合物复合物基质中的纵向纤维素纤维组成的[A4]。这些纵向纤维的密度向秆圆周方向增加，如图 1.5.4.1 所示，其中箭头显示纤维密度从内径到外径的增加。
图1.5.4.1：竹纤维分布
竹子横截面的各向异性导致竹子的强度特性在很大程度上依赖于竹子的外周，这意味着如果需要减轻重量的应用，可以从竹秆中去除一些内部材料，而不会显着影响材料性能。这有可能用于竹制自行车，其中管材部分是使用竹自行车俱乐部建议的分裂方法制造的。
由于竹子是一种天然存在的非标准化材料，材料特性可能会因含水量、节长和竹子种类等变量而有很大差异。在这种情况下，人们认识到必须对竹子样本进行实验，以确定竹子的平均特性，以便进行应力模拟。2
从竹自行车俱乐部收到了 14 根竹子，标记为 AN。首先测量它们以确定平均壁厚、外径、内径和密度。从这些样品中，选择了缺陷最少的六个最高质量的秆，将其制成用于三点弯曲弯曲试验的样品，以便计算杨氏模量和极限弯曲强度。制造每个样本时，负载将施加在节点上，支撑件距离节点两侧各 150 毫米（总长度 300 毫米）。该实验按照 BS ISO 22157:2019 进行，使用位移监测，施加负载，从而引起 1 毫米/分钟的位移。六个试件的力-位移图如图 1.5.4.2 所示。
图1.5.4.2：弯曲试验力-位移
从图 1.5.4.2 可以看出，样本的性能有所不同，这是由于所使用的直径和壁厚范围以及竹子本身的潜在缺陷和各向异性造成的。还可以看出，竹子几乎没有塑性变形，一旦达到最大弯矩，就会发生破坏。
根据该数据，使用公式 1-5 计算杨氏模量和极限弯曲应力：
𝐼= 𝜋64 (𝐷 𝑜𝑢𝑡𝑒𝑟4 −𝐷 𝑖𝑛𝑛𝑒𝑟4 )方程 1
𝐸= 𝐹𝐿 3 48𝑌𝐼方程 2
𝑀 𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑚𝑎𝑥 𝐿4方程 3
𝑊 𝑏 = 𝜋(𝐷 𝑜𝑢𝑡𝑒𝑟4 −𝐷 𝑖𝑛𝑛𝑒𝑟4 )32𝐷 𝑜𝑢𝑡𝑒𝑟方程 4
𝜎 𝑢𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎𝑡𝑒 = 𝑀 𝑚𝑎𝑥 𝑊 𝑏方程 5
其中：3
I = 转动惯量
Douter=竹材外径（mm）
晚餐=竹内径（mm）
E=杨氏模量（MPa）
F = 力 (N)
L= 支撑跨度（mm）
Y= 垂直位移（毫米）
Mmax=最大弯矩（Nmm）
Fmax= 达到的最大负载 (N)
Wb=截面模数（mm3）
σ极限=极限弯曲应力（MPa）
根据这些计算，发现平均杨氏模量值为 6402.93MPa，平均极限弯曲应力为 70.96MPa。
接下来进行拉伸测试，该测试也符合 BS ISO 22157:2019。测试样本均从相同的竹秆上切割成 180mm x 8mm x 3mm 的尺寸，并使用环氧树脂将 60mm x 8mm x 1.5mm 的交叉层片固定在两端。这些拉片是拉伸机夹紧的样本部分，因此尽可能精确地制造它们非常重要，以防止任何应力集中器特征影响结果。所得样本各自具有60mm的标距长度。
样品在 Tinius Olsen 拉伸测试设备（参见附录 5.4.1）上以 2 毫米/分钟的位移进行测试，为了测量应变，使用了光学应变测量装置。六个样品的结果见图1.5.4.3。
根据这些结果，计算出平均极限拉伸应力为 84.34 MPa。
最后进行的压缩测试也符合 BS ISO 22157:2019。根据标准制造了两个样品，该标准规定样品的长度为秆厚度的10倍。压缩试验的力-位移结果见图1.5.4.4。
图1.5.4.3：拉伸应力-应变
图1.5.4.4：压缩力-位移
根据压缩数据计算出平均极限压缩应力为 57.7 MPa。4
[A1]。通过刚度和功率传输实现性能 [互联网]。Cervelo.com。2021 年 [引自 2021 年 3 月 16 日]。可从： https: //www.cervelo.com/en/stiffness# :~:text=Pedaling%20stiffness%20is%20also%20known,pedal%20the%20frame%20deflects%20sidely.&text=Track%20frames%20generally% 20要求%20更多，可以%20到%20是%20太%20高。
[A2]。Shumpert M. 竹自行车有什么用？[互联网]。BikesReviewed.com。2021 年 [引自 2021 年 3 月 16 日]。可从： https: //bikesreviewed.com/fun/bamboo-bikes/
[A3]。Azzam A，Li W。复合材料层压板三点弯曲行为的实验研究。IOP 会议系列：材料科学与工程。2014；62：012016。
[A4]。Youssefian S，Rahbar N。竹原纤维强度和刚度的分子起源。科学报告。2015;5(1)。