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为解决理解烟草叶力学行为以优化打叶技术的问题，研究人员开展烟草叶非线性拉伸行为的研究。通过实验和建模，得出其应力 - 应变响应分三个阶段，RVE 模型可解释宏观与微观关系，该研究为高性能仿生材料设计提供思路。
在烟草种植与加工的领域中，烟草打叶技术的优化一直是行业关注的重点。打叶过程中，要将烟草叶片从茎上分离，获得合格大小的叶片碎片并非易事。以往的研究虽对打叶参数进行了优化，如利用粒子群优化 - 反向传播（PSO - BP）神经网络结合非支配排序遗传算法 - II（NSGA - II）算法调整温度、进料流量和辊速等参数，提升了打叶后烟叶的质量，但烟草叶是一种具有复杂细胞微观结构的各向异性非线性材料，仅靠这些参数优化无法深入理解其力学行为，而这对打叶技术的有效设计和优化至关重要。
同时，实验研究植物叶或组织的力学性能面临诸多难题。像测量 72 片烤烟叶片应力 - 应变、量化七种香料叶片的极限强度和表面硬度，以及探究叶片含水量对烟草叶片力学性能影响等实验，不仅耗时耗力，还对季节性植物的可用性、测试和存储环境（如温度和湿度）极为敏感。而且植物组织具有分层细胞结构，仅在组织尺度进行实验测试，难以揭示其变形和失效的内在机制。
在此背景下，浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂等研究机构的研究人员开启了对烟草叶非线性拉伸行为的深入研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）对烟草叶组织的细胞微观结构进行表征，直观呈现细胞形态。其次，开展单轴拉伸试验获取烟草叶的力学行为数据。最后，基于 SEM 图像构建有限元代表性体积单元（RVE）模型，通过该模型进行参数研究和模拟分析。
在材料表征方面：
- 力学表征：研究人员选取云南玉溪产区的烟草叶，经精心处理后，将其水含量控制在 16%。利用 Zwick/Roell Z020 万能材料试验机进行拉伸测试，加载速度为 5mm/min。结果显示，烟草叶的应力 - 应变响应呈高度非线性，可分为三个阶段：第一阶段（A - B 段）和最后阶段（C - D 段）为线性响应，分别由初始杨氏模量E1和次级杨氏模量E2表征；中间的过渡阶段（B - C 段）为非线性硬化过程。六个测试样本的E1在 [1.29 - 2.21] MPa 之间，均值为 1.66MPa，标准差为 0.296MPa；E2在 [2.85 - 5.39] MPa 之间，均值为 3.88MPa，标准差为 0.823MPa ，虽数据有差异，但变形趋势一致。
- 微观结构表征：采用特定的样本制备方法处理烟草叶样本，经 SEM 观察发现，烟草叶表皮组织的细胞呈不规则波浪状，与形状规则的洋葱组织细胞截然不同。叶片厚度约为 78μm，两个相连细胞的总壁厚约为 2μm。
在构建基于细胞微观结构的 RVE 模型时：
- 有限元模型构建：根据 SEM 图像创建烟草叶微观结构的有限元模型，选取 167μm×167μm 的区域，包含 16 个植物细胞，该区域对整体具有良好的统计代表性。在构建过程中，对细胞分布进行调整以满足周期性边界条件（PBC），并在 HyperMesh 中通过 2D 三角形和四边形单元进行离散化。
- 施加 PBC 和宏观加载：运用 EasyPBC 插件或 Dassault Systems 开发的 Micromechanics Plugin for Abaqus/CAE 插件施加 PBC。在单轴拉伸加载时，通过调整参考点的位移增量加载，并设置相关位移为零，在模型后处理中提取合力，进而获得应力 - 应变响应。
在数值结果方面：
- 细胞材料属性识别：细胞壁厚和原生质体的力学性能对 RVE 模型的响应至关重要。通过参数研究，在细胞壁弹性模量 [75 - 150] MPa 和原生质体弹性模量 [0.1 - 0.4] MPa 范围内进行调整，利用误差函数评估模型预测与实验测试的差异。最终确定细胞壁模量为 135MPa，原生质体模量为 0.1MPa 时，误差最小为 12.3%。此时，RVE 模型的预测与实验数据在初始弹性阶段和非线性硬化阶段吻合良好。
- 单调加载下的微观结构变形：基于确定的材料属性，研究不同应变水平下细胞 RVE 内的 von Mises 应力演变。在初始弹性阶段，应力沿细胞壁分布相对均匀；随着拉伸增加，8% 应变时形成两条主要加载路径；18% 应变时进入第三阶段，出现新的加载路径，应力分布和响应特性发生变化。
- 加载方向效应：研究 RVE 在平行和垂直于次级叶脉方向的单轴拉伸响应。结果表明，两个方向的应力 - 应变响应在幅度上差异显著，但 40% 应变时变形特征趋于一致。y 方向加载时，应力分布和加载路径变化有其独特规律，这源于细胞排列导致的各向异性。
研究结论表明，通过 SEM 表征烟草叶细胞微观结构并校准其单轴拉伸力学行为后，构建的 RVE 模型成功确定了细胞壁和原生质体的杨氏模量。研究详细探讨了平行和垂直于次级叶脉方向拉伸时，均匀化响应与微观结构变形的关系。这种均匀化响应分为三个阶段，且 RVE 模型的响应具有明显的方向效应，这与细胞连接壁的波状变化密切相关。该研究揭示的生物材料硬化机制与细胞水平变形相关，为通过微观结构设计制备高性能仿生材料提供了有价值的见解，有助于推动相关领域的发展。
