​【车架强度刚度的几何设计】

自行车的车架在使用中，承受的最大负载是人体重力，力学上主要承受竖直平面内的弯曲变形和弯曲应力，力学模型如下：

当人坐在自行车上，重力对车架产生了弯矩的作用。自行车的车架在使用中，承受的最大负载是人体重力，力学上主要承受竖直平面内的弯曲变形和弯曲应力。

车架以中性层为界，上部受到压缩下部受到拉伸，这就是弯矩作用的特点。

由上图可见，上下两端承受了最大应力和产生了最大变形量。自行车受力是带有方向性的，所以强度也要带有方向性，以适应外力。当材料更多地集中到两端时，并且更为粗大时，抗弯截面模量和惯性矩更大，强度更高，这样材料能更有效地发挥强度和结构作用，使用同样的强度材料能够获得更高的强度与重量之比。同时，几何对于强度和刚度有双重的协调加强作用，强度提高，刚度也同时提高，刚度的提高也就是抗变形能力的提高会减少能量损失，提高骑行效率。由此可见合理的截面形状设计对于自行车有重要的意义。几何是性能的基础，没有几何就没有性能。几何决定了力学环境，决定了在受外力时产生内部应力的大小，而内部应力才是造成强度破坏的元凶。合理的几何形状能为自行车提供好的力学环境，最大限度地发挥材料性能，并且使用更少的材料，这样使得自行车的高性能和轻量化成为可能。
车架的最危险截面在头管处，此处承受弯矩大，几何形状发生变化，又是各种管材的结合部，存在焊缝等，有着明显的应力集中，这导致车架常见的破坏一般都发生在头管处——哪里薄弱哪里破坏，最短板的高度决定水的高度。所以头管处，上管和下管的截面形状直接关系到车架强度的大小。自行车受力是带有方向性的，所以强度也要带有方向性，以适应外力。当材料更多地集中到上下两端时，并且更为粗大时，抗弯截面模量和惯性矩更大，强度更高，这样材料能更有效地发挥强度和结构作用，使用同样的强度材料能够获得更高的强度与重量之比。同时，几何对于强度和刚度有双重的协调加强作用，即车架的强度刚度都与EI，也就是杨氏模量与惯性矩的乘积成正比。典型结构优化的抗弯型钢的代表就是工字钢。在自行车上的应用就是采用三角形或梯形上管和下管的异型管材。
这也是为什么碳架和铝合金架被誉为“几何优势架”，占据了高强度低重量优势的根本原因：利用成型优势，形成富有变化，适合受力的几何强度。
另外，车架的最大应力一般发生在头管下端或者说最危险的是头管下端，下管更为粗大，对于强度较为有利，包括对五通强度有利，所以下管在此处粗大和锥形头管或国际象棋形的头管更为合理。
提高刚度（也就是抗变形能力），能提高强度，零件的厚度或直径大致与强度成正比。但有时，减小某一处的刚度能起到提高整体强度都作用。——特别是对于金属焊接车架，有利于减少焊接接头的应力集中（因为焊接接头存在缺口效应，容易产生应力集中，详见后文），提高强度，如铝合金车架管材的不等壁厚，或富有变化的几何，如“蛙腿”。详见《车架》部分。可使重量大幅度降低而保证强度，如果采取等壁厚，接头处应力集中明显需要更为厚重的管材才可以，在概念上举例，如果不等壁厚重量为1，那么等壁厚重量达到4，也许强度才只能达到2，强度不再和厚度成正比了，所以单纯增加壁厚有时就不太经济。
我们不赞成单纯以长度尺寸就说明强度和刚度性能高低的观点，正如我们不赞成以材料来说明性能优劣一样，那都是片面的。但是一般的规律，后叉短、轴距短对刚度有利，车架刚度高低还要依据具体情况具体分析，不能仅从尺寸长短就得出结论。