<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">31595</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2023.031595</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Application of Isogeometric Analysis Method in Three-Dimensional Gear Contact Analysis</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Application of Isogeometric Analysis Method in Three-Dimensional Gear Contact Analysis</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Application of Isogeometric Analysis Method in Three-Dimensional Gear Contact Analysis</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Chen</surname><given-names>Long</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Yu</surname><given-names>Yan</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Shang</surname><given-names>Yanpeng</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Wang</surname><given-names>Zhonghou</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><email>wang_zhonghou18@163.com</email></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Zhang</surname><given-names>Jing</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology</institution>, <addr-line>Shanghai, 200093</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Zhejiang Fine-Motion Robot Joint Technology Co., Ltd.</institution>, <addr-line>Taizhou, 317600</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Zhonghou Wang. Email: <email>wang_zhonghou18@163.com</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2023</year></pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic"><day>30</day>
<month>12</month>
<year>2023</year></pub-date>
<volume>139</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>817</fpage>
<lpage>846</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>23</day>
<month>7</month>
<year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>18</day>
<month>9</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2024 Chen et al.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Chen et al.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_31595.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Gears are pivotal in mechanical drives, and gear contact analysis is a typically difficult problem to solve. Emerging isogeometric analysis (IGA) methods have developed new ideas to solve this problem. In this paper, a three-dimensional body parametric gear model of IGA is established, and a theoretical formula is derived to realize single-tooth contact analysis. Results were benchmarked against those obtained from commercial software utilizing the finite element analysis (FEA) method to validate the accuracy of our approach. Our findings indicate that the IGA-based contact algorithm successfully met the Hertz contact test. When juxtaposed with the FEA approach, the IGA method demonstrated fewer node degrees of freedom and reduced computational units, all while maintaining comparable accuracy. Notably, the IGA method appeared to exhibit consistency in analysis accuracy irrespective of computational unit density, and also significantly mitigated non-physical oscillations in contact stress across the tooth width. This underscores the prowess of IGA in contact analysis. In conclusion, IGA emerges as a potent tool for addressing contact analysis challenges and holds significant promise for 3D gear modeling, simulation, and optimization of various mechanical components.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Contact analysis</kwd>
<kwd>involute gear</kwd>
<kwd>isogeometric analysis</kwd>
<kwd>finite element analysis</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>National Nature Science Foundation of China</funding-source>
<award-id>52075340</award-id>
<award-id>51875360</award-id>
</award-group>
<award-group id="awg2">
<funding-source>Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality</funding-source>
<award-id>19060502300</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>The gear contact analysis is a complicated nonlinear problem. The classical Hertz formula, first formulated by Hertz [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>] in 1881, utilized mathematical and elastic methods to address a variety of contact issues associated with basic shapes and uniform contact surfaces. However, several conditions must be met for the classical Hertz contact method to address certain engineering challenges. Firstly, the traditional finite element analysis (FEA) method for the gear contact problem is to use the <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous Lagrangian basis function for boundary fitting. This often results in discontinuities at the fitted surface boundary and a failure to capture the contact surface&#x2019;s exact shape. Such limitations hinder improvements in contact stress calculation accuracy. Secondly, in the pre-processing stage of contact analysis, the traditional finite element method uses tetrahedron or hexahedron meshes for mesh generation and approximates the original model with an approximate geometric mesh model at the contact boundary. These differences often reduce analytical efficiency and can result in large variances in the results, especially when analyzing the contact problems of intricate surfaces.</p>
<p>In 2004, isogeometric analysis (IGA) was first proposed by Hughes et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>] as an analysis method based on the Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) parametric model to unify the design model and the analysis model and then achieve a seamless connection between design and analysis. The model for IGA is composed of NURBS surfaces or volumes, so the entire model remains smooth, avoiding the problem of inaccurate model representation produced by the standard finite elements&#x2019; discrete computational unit densities. By leveraging the NURBS basis, the IGA method avoids the error of the FEA method from the geometric source.</p>
<p>However, despite nearly two decades elapsing since IGA&#x2019;s inception, its application to complex mechanical components like gears remains limited. Several reasons have contributed to this limitation. One reason is that the complex mechanical parts with many engineering features are very hard to construct to be suitable for IGA. Standard mechanical components, including gears, bearings, bolts, flat keys, splines, and springs, are characterized by specific curves or surfaces. Representing these components as volume parametric solids is far from straightforward. The other reason is that IGA cannot yet work on the analysis tasks under complex work conditions. As a new and promising analysis method to replace the current FEA method, IGA has its gaps. What is more, in using the existing methods of analysis methods some analysis problems remain unsolved. Just as with the problem of gear contact analysis, although there are many analysis methods, including the FEA methods, finding a precise, efficient, economical, and fast analysis method remains to be solved and has attracted many researchers&#x2019; interest for decades. The basic idea of IGA is that of using the same mathematical language to express geometric shapes and physical fields. Using a planar NURBS surface or a three-variable NURBS parameter volume as the computational domain, wherein the computational units are the surface or volume units corresponding to the node interval, the NURBS basis function is used as the shape function, and the physical properties of the control vertices are used as the invariant. Therefore, for 3D models with complex structures, the key to successful geometric analysis is to decipher how to build a volume-parameterized model that meets the continuity requirements. To achieve this, it is necessary to solve two problems: the NURBS multi-piece (block) splicing method and boundary continuity coupling. Here, we used IGA to establish the three-dimensional contact model of the gear and compared its tooth profile with that of the standard involute cylindrical gear for geometric error analysis. Then, we developed a new geometric contact analysis algorithm to deal with the frictionless contact problem of 3D gears and compared the analysis results with the results obtained from theoretical calculations and commercial software.</p>
<p>The paper is outlined as follows: In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, an overview of gear contact analysis, isogeometric analysis, and isogeometric contact analysis is presented. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, a common isogeometric contact analysis for three-dimensional calculations is derived and realized. To study the correctness of calculation formulas and processes, a standard one-fourth semicircle contact model is established, and the results of the isogeometric contact analysis are compared with the Hertz theoretical values and the empirical values from commercial software. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, a NURBS representation of a gear contact model is analyzed, and the contact Von-Mises stress is obtained and compared with the corresponding values obtained from some commercial software. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> presents the conclusions and ends this paper.</p>
<p>The contributions of our work can be summarized as:</p>
<p>1) The calculation formulas for common 3D isogeometric contact analysis were derived.</p>
<p>2) Based on the requirements for smoothness and continuity of gear contact boundaries, a 3D gear body parameterized model suitable for geometric analysis was constructed using the NURBS multi-block splicing and Nitsche&#x2019;s method. The correctness and robustness of this method were verified by comparisons with FEA results.</p>
<p>3) The advantages of IGA methods in 3D contact analysis were explored, including the finding that under the same calculation accuracy, there were fewer calculation units and degrees of freedom, smoother expression of contact surfaces, smoother contact stress, and significantly reduced non-physical oscillations.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Related Works</title>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Contact Analysis of Gears</title>
<p>Gears are some of the most used parts in transmission equipment, so the gear contact problem has gained many researchers&#x2019; interest, including other problems such as the fatigue life analysis of gears [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>], transmission error analysis of gears [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>], and stress analysis of gears [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>]. The FEA method has been widely used for the analysis of gears. Li [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>] performed a finite element frictionless contact analysis on a three-dimensional gear. Mao [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>] used the micro-geometric correction method to reduce the fatigue wear of gear tooth surfaces and calculated the contact stress of gear tooth surfaces with the finite element method. Gonzalez-Perez et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>] proposed a method to reduce the calculation cost of the gear meshing by using multi-point constraints at different sections of the gear geometry. Tamarozzi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] analyzed two gears meshing in an ad-hoc flexible multibody model and proposed an online selection of residual attachment modes for accurate local deformation prediction. Chang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>] calculated the overall deformation of the tooth body by the analytical method and calculated the local deformation in the contact area by the finite element method, which greatly shortened the calculation time. Li [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>] studied the meshing stiffness and stresses of the straight cylindrical gears by using the finite element method, which considered tooth profile modification, manufacturing errors, and other factors. Wang [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>] proposed a method that could correct the tooth profile by using tooth surface contact and established a dynamic model of helical gears. Litvin et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>] used a gear geometric contact analysis technology to modify the tooth surface of helical gears in three dimensions and reduce the amplitude of transmission error, and also developed a six-degree-of-freedom helical gear dynamic model to study the time-varying meshing stiffness (TVMS) calculation method by considering axial deformation. Lin et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>] proposed a transmission error analysis method for helical gear systems that considered machining assembly and correction errors, and established a bent-twist shaft coupling dynamic model for the analysis and control of gear system vibration and noise.</p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Application of IGA</title>
<p>Since Hughes et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>] proposed the IGA method, many researchers have further developed it. Currently, this method has been applied in many fields, such as heat conduction problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>], fluid flow problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>], acoustic problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>], electromagnetic problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>], and fluid structure coupling problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>]. IGA has also been applied in the medical domain [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>].</p>
<p>IGA has been deeply and widely verified in the field of mechanical engineering. The most obvious advantage of the IGA method is its geometric accuracy, which can accurately express the geometric model. By bonding complex models with multiple NURBS surfaces, Kiendl et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>] solved the continuity problem between multiple NURBS surfaces. Based on the advantages of IGA, it has been applied to plate and shell analysis by many researchers. To study the vibration of thin-walled beams, Carminelli et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>] used B-splines as elements in establishing the thin-walled shell elements of multi-layer composite materials. Uhm et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>] used T-splines to establish a plate and shell model for IGA, and effectively solved the problem of the degree of freedom that could not be rotated at the control points. Hirschler et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>] proposed a dual-domain decomposition algorithm to accurately analyze the unqualified polyhedral Kirchhoff-Love shells. Jamires et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>] proposed an IGA-based method to study the stability of laminates and shallow shells. The proposed method was applied to the stability analysis of various examples and obtained excellent results. Norouzzadeh et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>] applied the IGA method to the dynamic analysis of the shell and used the method to generate the geometry of the surface area and the approximate displacement field in the shell.</p>
<p>The IGA method has also been combined with other research methods to solve broader problems. Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>] realized a parametric optimization for complex structural shapes by using IGA and verified the effectiveness of this method with several complex planar shapes. Xia et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>] proposed a coupling model based on IGA and bond-ed peridynamics (PD) (IGA-PD) and proved that in the IGA-PD coupling model, the PD node could be constructed by the control network of IGA, which improved the calculation accuracy and efficiency of crack problems and provided a solution method for crack problems with an accurate geometric model. Aung et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>] combined shape optimization with IGA and applied this method to the analysis and optimization of welds. The analysis and optimization results showed that the stress concentration of welds was greatly reduced by using this method.</p>
<p>Since the gear is a typical part in mechanical engineering, here, we give a detailed overview. Yusuf et al. established a three-dimensional gear model with NURBS to study the strength and deformation of a gear tooth under load. By comparing the results of IGA with the corresponding values of the Lewis equation and FEA, it was proved that the IGA model could obtain more accurate gear analysis results. However, the authors only gave the result of stress analysis of a single tooth, instead of the teeth that kept contact. In addition, the established IGA gear model was not compared with the standard gear model for the geometric error of the tooth profile. As there is no specific derivation formula for the analysis of isogeometric gears [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>]. Considering the mesh interference and profile modification under loads, Beinstingel et al. used NURBS to design an accurate tooth profile to explore the influence of mesh density on gear meshing stiffness matrix, then proved that the analysis established by IGA had good applicability and stability. However, the influence of the stiffness matrix derived under the quasi-static state on the gear force was not discussed [<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>].</p>
<p>For the contact analysis between mechanical parts, some researchers have also conducted relevant research with IGA. To quickly search for the control points on isogeometric models, Stadler et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>] proposed an efficient search algorithm for adaptive fine mesh on adjacent elements search. Temizer et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>] used the NURBS contact discretization node-to-surface (KTS) algorithm to study frictionless contact problems. It qualitatively showed that the application of this algorithm could improve the analysis accuracy and convergence, which focused on the effect of the proposed new algorithm on mesh discretization without analyzing its stress results. Lu [<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>] was the first to develop the IGA algorithm framework for contact problems. Two contact algorithms were used to analyze Hertz and interference contact examples, and the analytical solutions were compared. Mathisen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>] simulated the large deformation contact problem between pipeline and trawl gear based on the IGA of mortar, and the numerical example demonstrated that isogeometric surface discretization delivered more accurate and robust predictions of the response compared to Lagrange discretization. Based on the local maximum entropy (LME) approximation, Greco et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-47">47</xref>] explored the simulation of small deformation contact problems with a coupled isogeometric meshless formulation. Kamensky et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>] used IGA to derive the contact equation based on volume potential energy and used the structural mechanics of the atrioventricular valve to illustrate the validity of this equation. Emad et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>] proposed an adaptive method to deal with contact problems. The effectiveness of this method was verified by the Hertz problem and three hyperelastic contact problems, and the results showed that IGA had good convergence not only for contact pressure, but also for the limit of contact area.</p>
<p>In summary, although isogeometric analysis has obvious advantages in geometric accuracy, more work is needed to effectively utilize IGA in solving the problems of gears:</p>
<p>1) There is no specific mechanical formula for the meshing contact of two cylindrical gears combined with the theory of isogeometry.</p>
<p>2) Compared with the FEA method, the advantages of the IGA method in modeling and analyzing two cylindrical gears are not clear.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Realization of Isogeometric Contact Analysis</title>
<p>The process of IGA is similar to FEA, but there are also differences. For instance, while FEA uses the Lagrangian Function as its basis function, and the boundary of the model can only reach <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous, IGA uses the NURBS basis function which can reach at least <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous. The basic process of isogeometric contact analysis is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>. In the whole process, definitions of the contact pairs and constraint boundary conditions are the most important components. Accordingly, the following subsections detail the contact area search, defines the contact pairs, and presents the constraints.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Process of isogeometric contact analysis</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-1.tif"/>
</fig>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Search of the Contact Areas</title>
<p>Since the isogeometric model was presented with NURBS, searching the contact areas meant searching the control points. So, the searching operation was divided into two steps. The first step, called a global search, was to determine which elements would be contacted, and the second step called local search was to determine the contact control points on the contacted units. The difficulty lay in the local search step. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, the spatial distance function S required the shortest distance from the spatial point to the surface.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Distance from a space point to a surface</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-2.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, given a point <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that was not on the NURBS surface, its vertical foot point <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> could be found by an iterative method. Firstly, any point <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the surface was taken as optional and its two partial derivatives could be obtained as <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The direction vector <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> was given as:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the outer normal direction of point <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> on the NURBS surface. From the relationship between <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, it was known that <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is perpendicular to the plane formed by <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, so the sum of <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> was 0. Then, we could obtain:
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The equation was solved as:
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>After calculation, the node vector was updated for calculation by:
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Finally, the calculation error <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> was given as:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>When the given conditions were met, the point <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the desired vertical foot point, and the iteration process was terminated. Otherwise, the iteration continued until the conditions were met. A method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-50">50</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>] was used to calculate the distance function <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. It was supposed that there were two NURBS bodies A and B in contact, and two boundary points <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> that belonged to the two bodies respectively. <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the nearest projection point of the point <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> on the contact boundary of object B. As <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set as the NURBS surface of the contact boundary of object <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> was be expressed as:
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>From the given conditions it was obtained that:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Newton&#x2019;s method was used to solve <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref>, and the corresponding iterative equation was:
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of iterations and <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Jacobian matrix:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Treatment of Constraints and Loads</title>
<p>When dealing with contact constraints, numerical solutions should be carried out. The widely used penalty function method is used to calculate the contact force [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>], however, this method does not increase the degree of freedom in the numerical solution and does not change the scale of the matrix [<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>]. The penalty factor introduced by the penalty function was multiplied by the penetration of the contact interface to calculate the contact force. In fact, the contact problem was transformed into a material problem to solve, and the specific calculation formula was expressed as:
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the penalty factor and <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the amount of invasion. The constraint processing was to transfer the constraint conditions into a functional solution. The specific functions were expressed as:
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mo>&#x220F;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:munder><mml:mo>&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:math></inline-formula> is the total potential energy of non-contact constraints, <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:munder><mml:mo>&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:math></inline-formula> is the additional functions in the penalty function method.
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>The equation was rewritten by variation:
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eq. (6)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eq. (13)</xref> was rewritten as:
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since the contact surfaces of A and B were composed of NURBS surfaces, we could set:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a shape function, <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are the coordinates of NURBS control points, and <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the number of control points on the contact boundary of two objects. To their variations:
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Assuming that the set of Gauss points on the contact area was defined as <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th Gaussian point of it is <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For one Gaussian point on A, there would be one corresponding nearest projection point on B, so <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref> could be rewritten as:
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the integral weight, <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian matrix of the isoparametric transformation, <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">Eq. (17)</xref> could be rewritten as:
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>In this way, the projection of the contact force at the control point was obtained as:
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The three-dimensional contact stiffness matrix was expressed as:
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where,
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Suppose that:
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the tangent vectors of the control points.
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Newton&#x2019;s method was used to solve the differential equation, and the iterative formula was:
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Jacobian matrix:
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The variation of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">Eq. (23)</xref> was obtained as:
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>To obtain the stiffness matrix [<xref ref-type="bibr" rid="ref-54">54</xref>], it was necessary to further deduce and perform first-order Taylor expansion on <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in the following three items:
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref> was obtained by variation as:
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">Eq. (26)</xref>, we obtained:
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Combined with the Jacobian matrix <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we obtained:
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The NURBS discretization of the above formula was obtained:
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>So, the terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref> were gotten as:
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then, the contact matrix <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> was obtained:
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where,
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>After obtaining the stiffness matrix, the equilibrium equations of the contact system were obtained, which can be expressed in matrix form as:
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>22</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represent the displacement vectors of the control points on object A and object B, <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represent the external force loads applied on A and B, respectively. The calculation of <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the equation was similar to that of FEA, which could be obtained by using the principle of minimum potential energy.
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then, the element stiffness matrix was written as:
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>After the element stiffness matrix was obtained, the overall stiffness matrix <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> was assembled according to the sequence of control points, where, D is the elastic matrix and B is the geometric matrix.</p>
<p><disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the elastic modulus and <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is Poisson&#x2019;s ratio.</p>
<p><disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd /><mml:mtd /><mml:mtd /><mml:mtd /></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd /><mml:mtd /><mml:mtd /></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd /><mml:mtd /></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where, <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the NURBS basis function, <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total number of control points on a unit in a NURBS volume.</p>
<p>Although isoparametric elements are used in isoparametric geometry, the mapping relationships among parent elements coordinate, physical coordinate, and parameter coordinate need to be carried out in IGA [<xref ref-type="bibr" rid="ref-55">55</xref>]. The parent element refers to the Gaussian integral domain. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>, <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to the mapping between the physical unit coordinate and parameter space coordinate, and <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> refers to the mapping between the parameter coordinate and parent unit coordinate.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Mapping among domains</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-3.tif"/>
</fig>
<p>The determinant of Jacobian transformation corresponding to the transformation from parameter coordinate to parent unit coordinate is:
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Jacobian transformation matrix corresponding to the transformation from physical unit coordinate to parameter space coordinate is:
<disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Therefore, the Jacobian determinant of the mapping from the parent unit to the physical unit was obtained as:
<disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The expression of the element stiffness matrix was:
<disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the total number of units of the three-dimensional model. <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the number of Gaussian integral points in the direction of <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the weight of Gaussian point. Finally, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eq. (39)</xref> was solved by Gaussian integral.</p>
</sec>
<sec id="s3_3">
<label>3.3</label>
<title>Hertz Contact Example Validation</title>
<p>For the Hertz contact problem, this subsection gives the geometric settings and boundary conditions of the Hertz contact model, calculates the analytical expression of the Hertz contact problem, and compares it with the FEA models with different mesh densities to verify the correctness of the equivalent geometric contact algorithm.</p>
<sec id="s3_3_1">
<label>3.3.1</label>
<title>Theoretical Value of the Hertz Contact Model</title>
<p>In 1881, Hertz obtained the formulas required for calculating the contact problem according to the mathematical linear elasticity method and gave the following assumptions: Each object is regarded as an elastic, uniform and isotropic half space, which is loaded on a small elliptical region of its smooth surface. Assuming that the surface has no friction, its contact area must be smaller than the surface radius and object size, and the geometry of the contact interface is described by quadratic polynomial. The Hertz contact model is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>.</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Hertz contact model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-4.tif"/>
</fig>
<p>The analytical solution of the half width b of the contact area was obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-46">Eq. (46)</xref>.
<disp-formula id="eqn-46"><label>(46)</label><mml:math id="mml-eqn-46" display="block"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p>As evident from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-46">Eq. (46)</xref>, the value of half width <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> depends on the applied concentrated force <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the Poisson&#x2019;s ratio of the upper and lower cylinders are <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and the corresponding elastic modulus are <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and the radius of the cylinder are <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and its length in the x-direction is L. The stress distribution of half-width <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the contact area was calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-47">Eq. (47)</xref>.
<disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>F</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p>Considering the symmetry of the model, a quarter model could be established to save on calculation costs. The radius of the two cylinders was 2 mm, the thickness was 5 mm, and the Neumann boundary condition F was 1000 N. To reduce the influence of simplifying the mechanical model, the constant Dirichlet boundary condition v &#x003D; 0.001125 was used to replace the Neumann boundary condition F at the top of the cylinder [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>]. The penalty function method was used for contact analysis, and the penalty value is 1000<italic>E</italic>. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-46">Eqs. (46)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-47">(47)</xref>, the Hertz contact theoretical value was calculated as: the contact half width b &#x003D; 0.0237 mm and the maximum contact stress value was 735 MPa. The Hertz contact analysis model and calculation parameters are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Hertz contact analysis model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-5.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3_3_2">
<label>3.3.2</label>
<title>Hertzian Contact Values Calculated by IGA and FEA</title>
<p>To fully verify the accuracy of the isogeometric contact analysis, the isogeometric Hertz contact analysis and FEA were carried out concurrently. The advantages of the concurrent analysis were mainly reflected in that it allowed a visual determination of whether the 3D isogeometric contact theory and procedure could pass the Hertz contact test, and additionally, by adjusting the computational unit densities and comparing it with FEA, the differences or advantages between the results of IGA and FEA under different computational unit densities were explored. The isogeometric Hertz contact model used NURBS body with order 2 in <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions. To consider the influence of calculation element density on calculation accuracy, five NURBS body models with different computational unit densities were obtained by adjusting the number of refinements, and the node vectors in the <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>direction (or <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>direction or <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>direction) of the five NURBS body models were {0 0 0 1 1 1}, {0 0 0 0.5 0.5 1 1 1}, {0 0 0 0.25 0.5 0.5 0.75 1 1 1 }, {0 0 0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.5 0.625 0.75 0.875 1 1 1}, {0 0 0 0.0625 0.125 0.1875 0.25 0.3125 0.375 0.4375 0.5 0.5 0.5625 0.625 0.6875 0.75 0.8125 0.875 0.9375 1 1 1}. Due to the tensor product property, it was difficult to achieve local subdivision of NURBS volume. To ensure unity, the global refinement modeling method was also used for the FEA as a comparison. The mesh sizes of the five finite element models were 0.25, 0.2, 0.15, 0.1, and 0.05 mm, respectively.</p>
<p>The selection of FEA contact settings and solvers had a significant impact on the analysis results. The commercial finite element software selected in this article was Ansys Workbench. For contact settings, the contact surfaces of the upper and lower half cylinders were selected for contact and target surfaces, respectively; select Contact Type as Frictionless. The penetration tolerance was set to 0.001, the penalty function value was 10E, and the contact offset value was 0 mm. The &#x201C;Contact Geometry Correction&#x201D; and &#x201C;Target Geometry Correction&#x201D; options were disabled. The rest were default settings. At the Solver setup, the Iteration method selection was the Newton-Raphson method; the residual value was 10E-6, and the rest were default settings.</p>
<p>Generally, the more accurate calculation results were due to the large number of calculation units. Therefore, the IGA results with the node vector {0 0 0 0 0.0625 0.125 0.1875 0.25 0.3125 0.375 0.4375 0.5 0.5 0.5625 0.625 0.6875 0.75 0.8125 0.875 0.9375 1 1 1} were compared with the FEA results with the mesh size of 0.05 mm. The results are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>, where <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6a</xref> shows the results of equivalent stress distribution, <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6b</xref> shows the results of stress distribution in Y&#x2013;direction, and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6c</xref> shows the results of contact stress distribution.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Comparison of IGA and FEA Hertz contact model analysis results</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-6.tif"/>
</fig>
<p>According to the Hertz contact theory value, the maximum contact stress of the two columns was 735 MPa. From the analysis results in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6c</xref>, the maximum contact stress calculated by FEA was 704.88 MPa, and the maximum contact stress calculated by IGA was 719.27 MPa. The results of IGA and FEA were close to the theoretical value in the case of dense calculation elements. <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Figs. 6a</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6b</xref> show that the maximum equivalent force and maximum Y-directional stress in the FEA results were 475.57 MPa and &#x2212;857.03 MPa, while the maximum equivalent force and maximum Y-directional stress in the IGA results were 482.43 and &#x2212;866.32 MPa, respectively. In terms of stress distribution, the results of IGA and FEA had approximately the same trend of stress distribution.</p>
<p>To compare the effect of computational unit densities on the analysis results, the contact stresses of isogeometric and finite element models with different mesh densities were studied, the boundary effect on the contact stress was also eliminated, and the contact stress at the contact position of the cross-section in the half thickness direction was selected and compared with the Hertz contact theory value. <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> shows the maximum contact stress values calculated by IGA and FEA at different computational unit densities and compares the maximum contact stress value with the maximum Hertz contact theoretical value.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Convergence of maximum contact pressure between FEA and IGA</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-7.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref>, with the increase in calculation elements, the IGA and FEA results converged to the theoretical value. Compared with the FEA, the isogeometric contact analysis program obtained higher calculation accuracy with fewer calculation elements, and the increase of calculation elements seemed to have less impact on the results of IGA. The isogeometric models with five computational unit densities were compared with the element and node data of the finite element model, as presented in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Comparison of IGA and FEA model unit and node data</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="center" colspan="4">IGA</th>
<th align="center" colspan="4">FEA</th>
</tr>
<tr>
<th>Refinement times</th>
<th>Unit number</th>
<th>Node number</th>
<th>Maximum contact stress (MPa)</th>
<th>Minimum unit size (mm)</th>
<th>Unit number</th>
<th>Node number</th>
<th>Maximum contact stress (MPa)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>0</td>
<td>57</td>
<td>162</td>
<td>651.49</td>
<td>0.25</td>
<td>3069</td>
<td>12990</td>
<td>575.84</td>
</tr>
<tr>
<td>1</td>
<td>148</td>
<td>384</td>
<td>683.57</td>
<td>0.20</td>
<td>5164</td>
<td>22559</td>
<td>647.73</td>
</tr>
<tr>
<td>2</td>
<td>942</td>
<td>1296</td>
<td>701.84</td>
<td>0.15</td>
<td>12239</td>
<td>52093</td>
<td>682.73</td>
</tr>
<tr>
<td>3</td>
<td>2710</td>
<td>6000</td>
<td>714.73</td>
<td>0.10</td>
<td>37826</td>
<td>157756</td>
<td>699.35</td>
</tr>
<tr>
<td>4</td>
<td>16542</td>
<td>34992</td>
<td>719.27</td>
<td>0.05</td>
<td>290433</td>
<td>1172975</td>
<td>704.88</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Under the same calculation accuracy, the number of elements used in the isogeometric contact analysis was less. Taking the 4&#x00D7; refinements as an example, the number of IGA units was only 34,992, while the number of FEA units was 290,433, which was eight times the number of IGA units. The accuracy of IGA was less affected by the density of computational units and converged more easily than the finite element method. <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref> shows the comparison between the results of the geometric contact stress distribution of the refined 2, 3, and 4 contact width areas and the Hertz contact theoretical value, which also showed that the accuracy of the geometric analysis was less affected by the element density.</p>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Contact stress distribution in contact width region</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-8.tif"/>
</fig>
<p>In summary, the IGA contact algorithm in this paper passed the Hertz contact test. Compared with the FEA method, under global refinement, the IGA contact algorithm had fewer nodal degrees of freedom and computational units with the same computational accuracy, and the analytical accuracy was less affected by the computational unit density, which was easier to converge.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Isogeometric Contact Analysis for Gears</title>
<p>Compared with the traditional FEA method, the IGA method has the greatest advantage of using the same geometric model representation in modeling and analysis, which can eliminate the discrete error and effectively avoid the discrete approximation problem of the finite element model. Additionally, the boundary of the IGA model can be at least <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous, which can theoretically yield more accurate calculation results. At present, the models of IGA mostly use NURBS splines. The mathematical expression of a NURBS body is similar to that of curves and surfaces, and is expressed by multiplying the primary functions in three directions, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-48">Eq. (48)</xref>. Assuming that the degree of the basis function in the three directions of <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the NURBS body can be defined as:
<disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the control point, <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the B-spline basis functions defined on the respective node vectors U, V, and W, and <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi></mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the weight corresponding to the basis function.</p>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>3D Involute Spur Gear Parametric Multi Piece Modeling</title>
<p>The main design parameters of the gear in this paper were module <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and number of teeth <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:math></inline-formula>. First, a 2D gear model was built using NURBS patches, and the order of the basis function was set to 2 in the U and V directions. The 3D involute spur gear modeling process is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>.</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>3D involute straight tooth body parametric multi-piece modeling process</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-9.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>, the 3D involute spur gear adopted the multi-piece suture modeling method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-56">56</xref>], and a pair of gears with the same size were meshed with each other. To ensure continuous and smooth contact areas, it was required that the contact surface of the gear be composed of a single NURBS block. With single tooth contact, the second patch could be obtained by the mirror operation of the first patch, and the two adjacent patches shared the control points on the coincident edges. Each tooth was stitched by six NURBS surface patches. According to the design calculation method, all six patches of a tooth were constructed. Then the plane single tooth model was stretched along the vertical direction, with the stretching length of 10 mm, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9c</xref>. The parameters corresponding to NURBS were set as follows: the node vector <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the weight <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the order <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The overall 3D model of the gear was obtained by the array method, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9d</xref>. To meet the requirements of IGA, the gear must be represented by NURBS, so the gear model was divided into several subblocks. When these blocks were combined into a whole model, it was ensured that their control points on the shared surface were consistent.</p>
<p>In the process of 3D gear modeling, this paper used the Nitsche&#x2019;s method to deal with the continuity problem between the NURBS multi-sheets (blocks), achieving consistent parameterization of patch interfaces between multi-sheets (blocks) to ensure that the established multi-sheets (blocks) gear model could be used for IGA. The implementation process was:</p>
<p>1. Solve the stiffness matrix of a single NURBS patch (block).</p>
<p>2. Use Gaussian scoring point mapping on discontinuous boundaries.</p>
<p>3. Use Nitsche&#x2019;s method to calculate the coupling stiffness matrix of discontinuous boundaries.</p>
<p>4. Combine the coupling stiffness matrix and the stiffness matrix of a single NURBS patch (block) into the global stiffness matrix.</p>
<p>Nitsche&#x2019;s method weak form:</p>
<p>Define <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> on domain <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, representing the solving function and the trial function, respectively.
<disp-formula id="eqn-49"><label>(49)</label><mml:math id="mml-eqn-49" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;on</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;on</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The standard application of Nitsche&#x2019;s method for the coupling was: Find <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> such that:
<disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mover><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>For all <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> on the interface, the jump and average operators, <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> were defined as:
<disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:mo fence="false" stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref> shows the local boundary comparison between the IGA model and FEA gear. Obviously, the boundary of IGA model could be fully expressed with fewer calculation units, the boundary was more continuous and smooth, and the calculation units were at least <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous, while the boundary quality of the FEA model was highly related to the number of boundary units. The smoothness of the contact boundary of the gear model directly affected the accuracy of the subsequent stress calculation.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>NURBS gear body model boundary and finite element discrete boundary</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-10.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Mechanical Model Equivalence</title>
<p>Similar to the FEA, in the process of applying boundary conditions, in the IGA it is difficult to directly apply mechanical boundary conditions and displacement boundary conditions such as torque and rotation angle, which need to be equivalent to control point force and displacement. <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref> shows the equivalent principle of the mechanical model for static contact analysis of 3D involute spur gears.</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>3D involute straight tooth static contact analysis mechanical model equivalent</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-11.tif"/>
</fig>
<p>In the original working condition, the two meshing gears are meshed under the action of torque <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> with equal size and opposite direction (<inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> in this paper). To simplify the calculation, the upper gear shaft was fixed. That is, the displacement of all control points on the contact surface of the gear and shaft in three directions was 0. The contact surface between the lower gear and the shaft was equivalent as follows: firstly, the rotational degree of freedom was converted into the displacement degree of freedom. That is, the displacement coupling constraint was applied at the control point at the contact surface between the lower gear and the shaft, and the following conditions were met:
<disp-formula id="eqn-52"><label>(52)</label><mml:math id="mml-eqn-52" display="block"><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>y</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>That is, regardless of the displacement of the lower gear, the distance from the contact surface between the gear and the shaft to the centerline of the gear shaft was constant. The penalty function method was used to solve the coupling boundary condition problem, and the penalty value was 1000<italic>E</italic>. Secondly, the torque <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> was converted into the surface force <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the contact surface between the lower gear and the shaft, which met the following conversion relationship:
<disp-formula id="eqn-53"><label>(53)</label><mml:math id="mml-eqn-53" display="block"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thirdly, the surface force <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the contact surface between the lower gear and the shaft was equivalent to the point force <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> of all control points, which satisfied the following conversion relationship:
<disp-formula id="eqn-54"><label>(54)</label><mml:math id="mml-eqn-54" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Finally, the mechanical model equivalence of the 3D involute single tooth static contact analysis was completed.</p>
</sec>
<sec id="s4_3">
<label>4.3</label>
<title>Analysis of Results</title>
<p>To verify the accuracy of static contact analysis of 3D involute spur gears, two different methods, IGA and FEA, were used to analyze the mechanical model. <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref> shows the finite element calculation results of two times equal geometric refinements (i.e., the node vector in one direction is {0 0 0 0.25 0.5 0.5 0.75 1 1 1} and the element size was 0.2 mm under global refinements. Among them, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12a</xref> shows the equivalent stress distribution, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12b</xref> shows the <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mrow><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-direction stress distribution, and <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12c</xref> shows the contact stress distribution.</p>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Static contact analysis results of IGA and FEA 3D involute spur gears</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-12.tif"/>
</fig>
<p>As evident from <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref>, under a certain calculation unit density, the results of IGA were highly similar to those of FEA in terms of numerical size, physical field distribution, stress concentration area, etc. The maximum equivalent force in IGA was 347.82 MPa while the maximum equivalent force in FEA was 334.45 MPa. The maximum contact stress in IGA was 318.61 MPa, and the maximum contact stress in FEA was 302.44 MPa. The IGA obtained numerical results close to FEA with fewer nodes and elements, and its stress distribution was also roughly the same, which verified the feasibility of equal geometric contact analysis.</p>
<p>The analysis results showed that the equivalent force of a single pair of teeth was mainly concentrated at the meshing surface, tooth root, and tooth groove bottom surface, and the maximum value was located at the meshing point. The distribution of the maximum equivalent force at different locations is shown in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>.</p>
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Comparison of maximum equivalent stress values of single pair of teeth</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th>IGA</th>
<th>FEA</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Contact surface</td>
<td>347.82 MPa</td>
<td>334.45 MPa</td>
</tr>
<tr>
<td>Tooth root</td>
<td>86.429 MPa</td>
<td>74.361 MPa</td>
</tr>
<tr>
<td>Bottom land</td>
<td>204.71 MPa</td>
<td>185.83 MPa</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>In order to consider the influence of unit density on the calculation accuracy, three types of NURBS volume models with different unit density were obtained by adjusting the refinement times, and the <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>direction (or <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>direction) node vectors of the NURBS volume models were: no refinement {0 0 0 1 1 1}, one times refinement {0 0 0 0.5 1 1 1}, and two times refinements {0 0 0 0.25 0.5 0.75 1 1 1}. Due to the tensor product characteristics, it was difficult to achieve local subdivision of the NURBS body. To ensure uniformity, the global refinement modeling was also used for the finite element analysis as a comparison, and the mesh sizes of the finite element models were 0.1&#x2013;0.3 mm, respectively. <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref> shows the results of the isogeometric and finite element equivalent force analyses for different computational unit densities.</p>
<fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Equivalent stress analysis results of isogeometric and finite element under different element densities</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-13.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>, the equivalent stress results and distribution of IGA showed the same law as that of FEA, and with the gradual increase of calculation element density, the peak area of equivalent stress gradually concentrated on the gear meshing point and the bottom surface of the tooth groove. From the numerical change analysis of the maximum equivalent stress, the FEA results increased from 257.25 to 406.38 MPa, while the IGA results increased from 300 to 450 MPa. Although it was difficult to judge the analysis accuracy from the maximum equivalent stress increase after refinement of the calculation elements, it was evident that even with sparse calculation elements, the IGA results still had high accuracy.</p>

<p>The maximum contact stress of IGA with different numbers of refinements and the maximum contact stress of FEA with different unit sizes were extracted for trend fitting to compare and analyze the variation of the maximum contact stress with the density of calculated units. <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref> shows the trend of the maximum contact stress of IGA and FEA under different unit densities.</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Trends of maximum contact stresses in IGA and FEA at different calculated unit densities</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-14.tif"/>
</fig>
<p>As evident from <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref>, from the perspective of the development trend of the maximum contact stress of a single tooth, the IGA and FEA both showed the same law; with the increase of the calculation unit density, the maximum contact stress gradually increased and tended to converge. Compared with the FEA, the IGA was observed to have relatively high calculation accuracy with fewer calculation units, which is the advantage of IGA.</p>

<p><xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref> shows the distribution of maximum contact stress in the direction of single tooth width of IGA with two times refinements, unidirectional node vector {0 0 0 0.25 0.5 0.75 1 1 1}, and FEA with element mesh size of 0.1 mm. Compared with FEA, the distribution of the maximum contact stress in the width direction of an IGA single tooth was more stable with less fluctuation, indicating that the false vibration of the contact stress in the width direction of IGA was less and the contact search was unique. In contrast, during the FEA, the contact stress obviously oscillated in the direction of tooth width, which was due to the influence of the Lagrange interpolation function. The elements were <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> continuous, and the direction of the unit normal vector jumped, resulting in the non-physical oscillation of contact stress.</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Distribution of maximum contact stress of IGA and FEA along gear thickness</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_31595-fig-15.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Conclusions</title>
<p>In this paper, the 3D isogeometric contact theoretical analysis formula was derived, with the algorithm subsequently applied to the involute spur gear meshing contact analysis. Upon comparison with the FEA results, the validity of the isogeometric contact analysis outcomes was confirmed, leading to the following conclusions:
<list list-type="order">
<list-item>
<p>At a certain density of calculation units, the results of IGA were highly similar to those of FEA in numerical size, physical field distribution, and stress concentration area.</p></list-item>
<list-item>
<p>As the density of calculation units increased, the FEA results (such as equivalent force and contact stress) changed markedly, while the IGA results had a smaller amplitude of change.</p></list-item>
<list-item>
<p>Although it was difficult to judge the analysis&#x2019; accuracy from the increases in the analysis results (such as equivalent force and contact stress) after the increase of the calculation unit density, we have to admit that even if the calculation unit density was sparse, the IGA results still had high accuracy.</p></list-item>
<list-item>
<p>By comparing the distribution of the maximum contact stress in gear width direction, the results of the IGA fluctuated less, and were more uniform, indicating that in the IGA, the calculation units were high-order continuous, the contact normal was unique, and the non-physical vibration of the contact stress was not substantial, which are the advantages of the IGA.</p></list-item>
</list></p>
<p>Nonetheless, it is acknowledged that there is room for optimization in the employed code because of its longer calculation time than that of some commercial software. Addressing this optimization challenge is a forthcoming endeavor.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>This research was supported by the National Natural Science Foundation of China and the Shanghai Municipal Commission of Science and Technology. Additionally, the authors express their sincere gratitude to the reviewers for their valuable comments, which have greatly improved this paper.</p></ack>
<sec><title>Funding Statement</title>
<p>The authors gratefully acknowledge the support provided by the National Nature Science Foundation of China (Grant Nos. 52075340, 51875360) and Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (No. 19060502300).</p>
</sec>
<sec><title>Author Contributions</title>
<p>The authors confirm contribution to the paper as follows: study conception and design: Long Chen, Zhonghou Wang; data collection: Long Chen, Yan Yu, Yanpeng Shang; analysis and interpretation of results: Yanpeng Shang, Yan Yu; draft manuscript preparation: Zhonghou Wang, Long Chen, Yan Yu; supervision: Long Chen, Zhonghou Wang, Jing Zhang. All authors reviewed the results and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability"><title>Availability of Data and Materials</title>
<p>The data underlying this article will be shared on reasonable request from the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement"><title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="other"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hertz</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>1882</year>). <article-title>Ueber die Ber&#x00FC;hrung fester elastischer K&#x00F6;rper</article-title>. <source>Journal f&#x00FC;r die Reine und Angewandte Mathematik</source><italic>,</italic> <volume>1882</volume><italic>(</italic><issue>92</issue><italic>),</italic> <fpage>156</fpage>&#x2013;<lpage>171</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T. J. R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cottrell</surname>, <given-names>J. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Isogeometric analysis: CAD, finite elements, nurbs, exact geometry and mesh refinement</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics &#x0026; Engineering</source><italic>,</italic> <volume>194</volume><italic>(</italic><issue>39&#x2013;41</issue><italic>),</italic> <fpage>4135</fpage>&#x2013;<lpage>4195</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Deng</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Analysis and prediction of gear fatigue life</article-title>. <source>IOP Conference Series: Earth and Environmental Science</source><italic>,</italic> <volume>252</volume><italic>,</italic> <fpage>22</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tak</surname>, <given-names>S. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hwang</surname>, <given-names>G. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Son</surname>, <given-names>Y. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bae</surname>, <given-names>H. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lyu</surname>, <given-names>S. K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>A study on the transmission error of the gear on contact load</article-title>. <source>Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers</source><italic>,</italic> <volume>23</volume><italic>(</italic><issue>3</issue>)<italic>,</italic> <fpage>117</fpage>&#x2013;<lpage>122</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>The stress analysis on spur gear meshing simulation</article-title>. <source>Applied Mechanics and Materials</source><italic>,</italic> <volume>392</volume><italic>,</italic> <fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>155</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Gear contact model and loaded tooth contact analysis of a three-dimensional, thin-rimmed gear</article-title>. <source>Journal of Mechanical Design</source><italic>,</italic> <volume>124</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>511</fpage>&#x2013;<lpage>517</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mao</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Gear tooth contact analysis and its application in the reduction of fatigue wear</article-title>. <source>Wear</source><italic>,</italic> <volume>262</volume><italic>(</italic><issue>11&#x2013;12</issue><italic>),</italic> <fpage>1281</fpage>&#x2013;<lpage>1288</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gonzalez-Perez</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fuentes-Aznar</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Implementation of a finite element model for stress analysis of gear drives based on multi-point constraints</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>117</volume><italic>,</italic> <fpage>35</fpage>&#x2013;<lpage>47</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tamarozzi</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ziegler</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Eberhard</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Desmet</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Static modes switching in gear contact simulation</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>63</volume><italic>,</italic> <fpage>89</fpage>&#x2013;<lpage>106</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>10.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chang</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A robust model for determining the mesh stiffness of cylindrical gears</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>87</volume><italic>,</italic> <fpage>93</fpage>&#x2013;<lpage>114</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>11.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Effects of misalignment error, tooth modifications and transmitted torque on tooth engagements of a pair of spur gears</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>83</volume><italic>,</italic> <fpage>125</fpage>&#x2013;<lpage>136</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>12.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Effects of machining errors, assembly errors and tooth modifications on loading capacity, load-sharing ratio and transmission error of a pair of spur gears</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>42</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>698</fpage>&#x2013;<lpage>726</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>13.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Optimization of tooth profile modification based on dynamic characteristics of helical gear pair</article-title>. <source>Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering</source><italic>,</italic> <volume>43</volume><italic>(</italic><issue>Suppl 1</issue><italic>),</italic> <fpage>631</fpage>&#x2013;<lpage>639</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Litvin</surname>, <given-names>F. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gonzalez-Perez</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fuentes</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hayasaka</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yukishima</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Topology of modified surfaces of involute helical gears with line contact developed for improvement of bearing contact, reduction of transmission errors, and stress analysis</article-title>. <source>Mathematical and Computer Modelling</source><italic>,</italic> <volume>42</volume><italic>(</italic><issue>9&#x2013;10</issue><italic>),</italic> <fpage>1063</fpage>&#x2013;<lpage>1078</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Litvin</surname>, <given-names>F. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fuentes</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gonzalez-Perez</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Carvenali</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kawasaki</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Modified involute helical gears: Computerized design, simulation of meshing and stress analysis</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>192</volume><italic>(</italic><issue>33&#x2013;34</issue><italic>),</italic> <fpage>3619</fpage>&#x2013;<lpage>3655</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>16.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lin</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>He</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Analytical method for coupled transmission error of helical gear system with machining errors, assembly errors and tooth modifications</article-title>. <source>Mechanical Systems and Signal Processing</source><italic>,</italic> <volume>91</volume><italic>,</italic> <fpage>167</fpage>&#x2013;<lpage>182</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>17.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Beirao da Veiga</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cottrell</surname>, <given-names>J. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sangalli</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Isogeometric analysis: Approximation, stability and error estimates for h-refined meshes</article-title>. <source>Mathematical Models and Methods in Applied Sciences</source><italic>,</italic> <volume>16</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>1031</fpage>&#x2013;<lpage>1090</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>18.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yin</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cheng</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Subdivision surface-based isogeometric boundary element method for steady heat conduction problems with variable coefficient</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>129</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>323</fpage>&#x2013;<lpage>339</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2021.016794</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rodrigues</surname>, <given-names>J. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Isogeometric analysis for fluid shear stress in cancer cells</article-title>. <source>Mathematical and Computational Applications</source><italic>,</italic> <volume>25</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>19</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rasool</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Corbett</surname>, <given-names>C. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sauer</surname>, <given-names>R. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>A strategy to interface isogeometric analysis with Lagrangian finite elements-Application to incompressible flow problems</article-title>. <source>Computers &#x0026; Fluids</source><italic>,</italic> <volume>127</volume><italic>,</italic> <fpage>182</fpage>&#x2013;<lpage>193</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>21.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lee</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>He</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>The collocation multipole method for acoustic problems with elliptical boundaries</article-title>. <source>The International Conference on Computational &#x0026; Experimental Engineering and Sciences</source><italic>,</italic> <volume>18</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>65</fpage>&#x2013;<lpage>66</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>22.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Garcia</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pardo</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Calo</surname>, <given-names>V. M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Refined isogeometric analysis for fluid mechanics and electromagnetics</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>356</volume><italic>,</italic> <fpage>598</fpage>&#x2013;<lpage>628</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>23.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Heltai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kiendl</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>DeSimone</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Reali</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A natural framework for isogeometric fluid-structure interaction based on BEM-shell coupling</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>316</volume><italic>,</italic> <fpage>522</fpage>&#x2013;<lpage>546</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>24.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>NURBS-based isogeometric analysis for the computation of flows about rotating components</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>43</volume><italic>,</italic> <fpage>143</fpage>&#x2013;<lpage>150</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>25.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Akkerman</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Calo</surname>, <given-names>V. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T. J. R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hulshoff</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>The role of continuity in residual-based variational multiscale modeling of turbulence</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>41</volume><italic>,</italic> <fpage>371</fpage>&#x2013;<lpage>378</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Akkerman</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Large eddy simulation of turbulent Taylor-Couette flow using isogeometric analysis and the residual-based variational multiscale method</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>229</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>3402</fpage>&#x2013;<lpage>3414</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>27.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Van Brummelen</surname>, <given-names>E. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Demont</surname>, <given-names>T. H. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>van Zwieten</surname>, <given-names>G. J.</given-names>, </string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>An adaptive isogeometric analysis approach to elasto-capillary fluid-solid interaction</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>122</volume><italic>(</italic><issue>19</issue><italic>),</italic> <fpage>5331</fpage>&#x2013;<lpage>5352</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>28.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Calo</surname>, <given-names>V. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Isogeometric fluid-structure interaction: Theory, algorithms, and computations</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>43</volume><italic>,</italic> <fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>37</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>29.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gohean</surname>, <given-names>J. R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T. J. R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Moser</surname>, <given-names>R. D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Patient-specific isogeometric fluid-structure interaction analysis of thoracic aortic blood flow due to implantation of the Jarvik 2000 left ventricular assist device</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>198</volume><italic>(</italic><issue>45&#x2013;46</issue><italic>),</italic> <fpage>3534</fpage>&#x2013;<lpage>3550</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>30.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>de Lucio</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bures</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ardekani</surname>, <given-names>A. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vlachos</surname>, <given-names>P. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gomez</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Isogeometric analysis of subcutaneous injection of monoclonal antibodies</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>373</volume><italic>,</italic> <fpage>113550</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>31.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kiendl</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bletzinger</surname>, <given-names>K. U.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Linhard</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>W&#x00FC;chner</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>198</volume><italic>(</italic><issue>49&#x2013;52</issue><italic>),</italic> <fpage>3902</fpage>&#x2013;<lpage>3914</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>32.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kiendl</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hsu</surname>, <given-names>M. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>W&#x00FC;chner</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bletzinger</surname>, <given-names>K. U.</given-names></string-name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>The bending strip method for isogeometric analysis of Kirchhoff-Love shell structures comprised of multiple patches</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>199</volume><italic>(</italic><issue>37&#x2013;40</issue><italic>),</italic> <fpage>2403</fpage>&#x2013;<lpage>2416</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>33.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Carminelli</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Catania</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Free vibration analysis of double curvature thin walled structures by a B-spline finite element approach</article-title>. <source>ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition</source><italic>,</italic> <volume>43068</volume><italic>,</italic> <fpage>139</fpage>&#x2013;<lpage>145</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>34.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Uhm</surname>, <given-names>T. K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Youn</surname>, <given-names>S. K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>T-spline finite element method for the analysis of shell structures</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>80</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>507</fpage>&#x2013;<lpage>536</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>35.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hirschler</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bouclier</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dureisseix</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Duval</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Elguedj</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A dual domain decomposition algorithm for the analysis of non-conforming isogeometric Kirchhoff-Love shells</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>357</volume><italic>,</italic> <fpage>112578</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>36.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Praciano</surname>, <given-names>J. S. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Barros</surname>, <given-names>P. S. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Barroso</surname>, <given-names>E. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Junior</surname>, <given-names>E. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>de Holanda</surname>, <given-names>&#x00C1;. S.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>An isogeometric formulation for stability analysis of laminated plates and shallow shells</article-title>. <source>Thin-Walled Structures</source><italic>,</italic> <volume>143</volume><italic>,</italic> <fpage>106224</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>37.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Norouzzadeh</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ansari</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Darvizeh</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Isogeometric dynamic analysis of shells based on the nonlinear micropolar theory</article-title>. <source>International Journal of Non-Linear Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>135</volume><italic>,</italic> <fpage>103750</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>38.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hong</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Parametric structural optimization of 2D complex shape based on isogeometric analysis</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>124</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>203</fpage>&#x2013;<lpage>225</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2020.09896</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>39.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xia</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Meng</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shen</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hu</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Isogeometric analysis of cracks with peridynamics</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>377</volume><italic>,</italic> <fpage>113700</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>40.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Aung</surname>, <given-names>T. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ma</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Isogeometric analysis and bayesian optimization on efficient weld geometry design for remarkable stress concentration reduction</article-title>. <source>Computer-Aided Design</source><italic>,</italic> <volume>139</volume><italic>,</italic> <fpage>103074</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>41.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yusuf</surname>, <given-names>O. T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Onuh</surname>, <given-names>S. O.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Simulation based on trivariate nurbs and isogeometric analysis of a spur gear</article-title>. <source>Strength of Materials</source><italic>,</italic> <volume>47</volume><italic>,</italic> <fpage>19</fpage>&#x2013;<lpage>28</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>42.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Beinstingel</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Keller</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Heider</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pinnekamp</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Marburg</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A hybrid analytical-numerical method based on isogeometric analysis for determination of time varying gear mesh stiffness</article-title>. <source>Mechanism and Machine Theory</source><italic>,</italic> <volume>160</volume><italic>,</italic> <fpage>104291</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>43.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Stadler</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Holzapfel</surname>, <given-names>G. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Korelc</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Cn continuous modelling of smooth contact surfaces using NURBS and application to 2D problems</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>57</volume><italic>(</italic><issue>15</issue><italic>),</italic> <fpage>2177</fpage>&#x2013;<lpage>2203</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>44.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Temizer</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wriggers</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hughes</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Contact treatment in isogeometric analysis with NURBS</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>200</volume><italic>(</italic><issue>9&#x2013;12</issue><italic>),</italic> <fpage>1100</fpage>&#x2013;<lpage>1112</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>45.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Isogeometric contact analysis: Geometric basis and formulation for frictionless contact</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>200</volume><italic>(</italic><issue>5&#x2013;8</issue><italic>),</italic> <fpage>726</fpage>&#x2013;<lpage>741</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>46.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mathisen</surname>, <given-names>K. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Okstad</surname>, <given-names>K. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kvamsdal</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Raknes</surname>, <given-names>S. B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Simulation of contact between subsea pipeline and trawl gear using mortar-based isogeometric analysis</article-title>. <conf-name>Proceedings of the VI International Conference on Computational Methods in Marine Engineering</conf-name>, pp. <fpage>290</fpage>&#x2013;<lpage>305</lpage>. <publisher-loc>Rome, Italy</publisher-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-47"><label>47.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Greco</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rosolen</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Coox</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Desmet</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Contact mechanics with maximum-entropy meshfree approximants blended with isogeometric analysis on the boundary</article-title>. <source>Computers &#x0026; Structures</source><italic>,</italic> <volume>182</volume><italic>,</italic> <fpage>165</fpage>&#x2013;<lpage>175</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-48"><label>48.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kamensky</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lee</surname>, <given-names>C. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bazilevs</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A contact formulation based on a volumetric potential: Application to isogeometric simulations of atrioventricular valves</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>330</volume><italic>,</italic> <fpage>522</fpage>&#x2013;<lpage>546</lpage>; <pub-id pub-id-type="pmid">29736092</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-49"><label>49.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bidkhori</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hassani</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A parametric knot adaptation approach to isogeometric analysis of contact problems</article-title>. <source>Engineering with Computers</source><italic>,</italic> <volume>38</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>609</fpage>&#x2013;<lpage>630</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-50"><label>50.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Piegl</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tiller</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>1996</year>). <source>The NURBS book</source>. <publisher-loc>Citado</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Science &#x0026; Business Media</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-51"><label>51.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Dyllong</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luther</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Distance calculation between a point and a NURBS surface</article-title>. <source>Curve and Surface Design</source><italic>,</italic> <fpage>55</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-52"><label>52.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Isogeometric analysis with proper orthogonal decomposition for elastodynamics</article-title>. <source>Communications in Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>30</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>396</fpage>&#x2013;<lpage>422</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-53"><label>53.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Interior penalty discontinuous galerkin based isogeometric analysis for Allen-Cahn equations on surfaces</article-title>. <source>Communications in Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>18</volume><italic>(</italic><issue>5</issue><italic>),</italic> <fpage>1380</fpage>&#x2013;<lpage>1416</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-54"><label>54.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Deng</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zuo</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xie</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A parallel computing schema based on IGA</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>132</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>965</fpage>&#x2013;<lpage>990</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2022.020631</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-55"><label>55.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiao</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gu</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name></person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Parameterization transfer for a planar computational domain in isogeometric analysis</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>137</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>1957</fpage>&#x2013;<lpage>1973</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2023.028665</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-56"><label>56.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A high-accuracy single patch representation of multi-patch geometries with applications to isogeometric analysis</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>124</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>627</fpage>&#x2013;<lpage>642</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2020.010341</pub-id></mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>