<?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">47566</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2024.047566</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A Coupled Thermomechanical Crack Propagation Behavior of Brittle Materials by Peridynamic Differential Operator</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">A Coupled Thermomechanical Crack Propagation Behavior of Brittle Materials by Peridynamic Differential Operator</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">A Coupled Thermomechanical Crack Propagation Behavior of Brittle Materials by Peridynamic Differential Operator</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Li</surname><given-names>Tianyi</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Gu</surname><given-names>Xin</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Zhang</surname><given-names>Qing</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref><email>lxzhangqing@hhu.edu.cn</email></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>College of Architectural Engineering, Jiangsu Open University</institution>, <addr-line>Nanjing, 210036</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Department of Engineering Mechanics, Hohai University</institution>, <addr-line>Nanjing, 211100</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Qing Zhang. Email: <email>lxzhangqing@hhu.edu.cn</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2024</year></pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic"><day>16</day><month>4</month><year>2024</year></pub-date>
<volume>140</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>339</fpage>
<lpage>361</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>09</day><month>11</month><year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted"><day>20</day><month>2</month><year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2024 Li, Gu and Zhang</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Li, Gu and Zhang</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_47566.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>This study proposes a comprehensive, coupled thermomechanical model that replaces local spatial derivatives in classical differential thermomechanical equations with nonlocal integral forms derived from the peridynamic differential operator (PDDO), eliminating the need for calibration procedures. The model employs a multi-rate explicit time integration scheme to handle varying time scales in multi-physics systems. Through simulations conducted on granite and ceramic materials, this model demonstrates its effectiveness. It successfully simulates thermal damage behavior in granite arising from incompatible mineral expansion and accurately calculates thermal crack propagation in ceramic slabs during quenching. To account for material heterogeneity, the model utilizes the Shuffle algorithm and Weibull distribution, yielding results that align with numerical simulations and experimental observations. This coupled thermomechanical model shows great promise for analyzing intricate thermomechanical phenomena in brittle materials.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Peridynamic differential operator</kwd>
<kwd>thermomechanical coupling</kwd>
<kwd>heterogeneity</kwd>
<kwd>numerical simulation</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>University Natural Science Foundation of Jiangsu Province</funding-source>
<award-id>23KJB130004</award-id>
</award-group>
<award-group id="awg2">
<funding-source>National Natural Science Foundation of China</funding-source>
<award-id>11932006</award-id>
<award-id>U1934206</award-id>
<award-id>12172121</award-id>
<award-id>12002118</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>The investigation of the problem involving brittle material fracture caused by thermal deformations and thermal stresses due to thermal loading is highly meaningful. When temperature fluctuations lead to thermal stresses surpassing the material&#x2019;s strength threshold, it triggers the initiation of microcracks within the structure. These microcracks gradually propagate, evolving into macroscopic fractures, ultimately culminating in structural failure. Brittle materials and structures frequently experience diverse temperature loads, including rapid cooling or heating, thereby inducing intricate thermally driven deformations and fractures, elevating the risk of structural failure. Notably, recent years have witnessed extensive investigations into the physical and mechanical characteristics of brittle materials, such as granite [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>] and ceramics [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>], under thermomechanical conditions.</p>
<p>Over the past few decades, researchers have investigated the cracking behaviors of granites and ceramics under thermal shocks, employing various experimental, theoretical, and numerical methods to predict thermal shock cracking patterns in brittle solids. Early experimental studies on thermal shock cracking patterns in ceramic materials date back to the 1950s. Kingery [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>] introduced the fracture criterion of critical stress, utilizing the maximum thermal stress for determining the initiation of thermal shock cracks. Nied [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>] investigated thermal shock resulting from sudden surface heating in an edge-cracked plate and juxtaposed it with the opposite thermal shock condition of surface cooling. Shao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>] conducted real-time investigations on the thermal shock crack propagation of ceramic through water quenching, employing translucent ceramic and high-speed imaging. Geyer et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] conducted an experimental study on thermally induced parallel edge cracks in a half-plane of brittle material. Besides, Liu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>] examined the physical and mechanical properties of granite and sandstone samples following high-temperature treatment, revealing distinct responses to temperature in each rock type. Fan et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>] demonstrated that elevated temperatures lead to internal mineral expansion, generating significant thermal stress even in the absence of external constraints. Zhu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>] investigated the impact of thermal cyclic treatment on granite, revealing increased microcrack generation, leading to deterioration and weakening of physical and mechanical properties, as observed through laboratory tests. These materials, commonly employed in high-temperature contexts [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>], exhibit inherent material heterogeneity, rendering their thermomechanical behaviors intricate and challenging to comprehend. Despite substantial advancements in comprehending the thermomechanical properties of brittle materials through experiments [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>], certain damage-related behaviors, such as crack propagation, remain elusive. The need for precise physical models and numerical forecasts has become pressing.</p>
<p>The crack initiation and propagation under thermal shock is quite a rapid and highly complicated process. Besides the experimental and theoretical methods, numerical method is considered as a useful approach to understand the mechanism of multiple thermal shock cracks, which plays an important role in thermomechanical analysis. Traditional approaches rooted in continuum mechanics, such as phase field models (PFM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>], have been developed to dissect intricate dynamic crack propagation trajectories in brittle materials subjected to thermomechanical loads [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>]. Besides, Boundary element method (BEM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>] was employed to reproduce multiple crack patterns of brittle solids in quenching tests; Finite element method (FEM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>] was used to investigate the effect of heterogeneity on fracture behaviors of ceramic slabs subjected to thermal shocks. The extended finite element method (XFEM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>] was applied to numerically analyze crack oscillating propagation in glass plates subjected to thermal shocks. However, despite the successful reproduction of multiple crack initiation and propagation in brittle materials under thermal shocks using the aforementioned numerical methods, they still require external techniques such as remeshing, external failure criteria, and supplementary constitutive models.</p>
<p>The peridynamics framework, introduced by Silling [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>], presents a promising alternative that overcomes the limitations of numerical methods grounded in continuum mechanics. In comparison to previous numerical methods, such as PMF, FEM, and XFEM, the primary advantage of peridynamics lies in the fact that its governing equations of motion inherently accommodate the presence of discontinuities in the deformation field [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. Peridynamic governing equations are formulated in integral form, with interactions defined by bonds [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. This framework allows the discontinuous damage behavior of points to be quantified through the tally of broken bonds, obviating the need for an additional fracture criterion. Bond-based peridynamics (BB PD) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] was the initial version to emerge within the peridynamics theory framework, distinguished by its clear concepts and ease of implementation. However, BB PD has inherent limitations, including constraints associated with the Poisson&#x2019;s ratio and limited capabilities in analyzing plastic deformation. To address these limitations, Silling et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>] extended BB PD to state-based peridynamics (SB PD), comprising ordinary state-based peridynamics (OSB PD) and non-ordinary state-based peridynamics (NOSB PD). In addition to these three variants, peridynamic differential operator (PDDO) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>] introduces a non-local interaction mechanism in the Taylor series expansion. This innovation establishes a more generalized peridynamics theoretical framework and provides a broader and more versatile approach to non-local theories.</p>
<p>Peridynamics, as a nonlocal reformulation of continuum mechanics theory, introduces a nonlocal integral operator in its equation of motion, replacing the stress divergence term in classical continuum mechanics with pairwise force density [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. This unique approach has attracted attention from researchers exploring nonlocal operators. Bergel et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>] extended peridynamics to total and updated Lagrangian approaches, demonstrating convergence to local operators in finite deformation contexts. Researchers like Yan et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>] developed a higher-order nonlocal continuum theory within updated Lagrangian particle hydrodynamics, focusing on accurate and stable simulations of complex three-dimensional multiphase flows. Yu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>] contributed to the field by developing and analyzing nonlocal discrete differential operators, showcasing their convergence to local operators and computational performance. In a comparative study, Kan et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>] explored two types of nonlocal differential operators derived from the Taylor series expansion of nonlocal interpolation and the nonlocal operator theory in peridynamic theory. Furthermore, Ren et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>] addressed shock wave-induced soil fragmentation by developing a nonlocal PD-smoothed particle hydrodynamics (SPH) coupling, demonstrating successful simulations.</p>
<p>Peridynamics has emerged as a valuable tool for analyzing the dynamic crack propagation mechanisms in thermomechanically loaded brittle materials. Notable contributions have been made in this realm. Kilic et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>] employed the uncoupled thermomechanical peridynamics model to simulate crack propagation modes in a quenched glass plate. D&#x2019;Antuono et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>] studied thermal shock-induced crack propagation behaviors in a brittle slab using the weakly coupled thermomechanical OSB PD model. Giannakeas et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>] explored the effects of hot and cold shock in brittle materials using a coupled thermomechanical model that combined BB PD with finite element methods. Chu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>] proposed a BB PD model to accurately describe the dynamic behavior of ceramics under impact loading, considering brittle response, softening plasticity, and strain-rate effects. Bazazzadeh et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>] developed an adaptive grid refinement thermo-mechanical PD model. Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>] proposed a novel BB PD model to investigate the thermomechanical behavior of quasi-brittle materials. Prakash et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>] applied PD to model microstructural mechanics, revealing multiple toughening mechanisms and demonstrating increased fracture toughness in glass ceramics compared to traditional glass. Additionally, Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>] investigated thermal crack processes in rocks using a coupled thermomechanical BB PD approach, and extended the model to simulate thermal crack behaviors in a nuclear pellet while examining crack branch instability in brittle solids. Rabczuk et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>] proposed a dual-horizon PD formulation for fracture in granular and rock-like materials, eliminating the need for explicit crack surface representation and addressing complex fracture patterns. Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>] introduced shear failure into the coupled thermomechanical OSB PD model, effectively simulating thermal crack behavior in rocks. Yang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>] investigated the thermal fracture characteristics of granite subjected to thermal cycling treatment using a fully coupled OSB PD thermomechanical model. Yang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>] investigated thermal-mechanical fracturing behaviors in granite post thermal cycling using a fully coupled OSB PD, examining crack evolution under varied temperatures and fissure angles. Feng et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>] introduced a BB PD with shear deformation to simulate complex compression/shear failure in heterogeneous rocks under uniaxial compression. Despite notable advancements in coupled thermomechanical modeling, there remains a need for further developments in numerical studies concerning the thermal crack propagation behavior of brittle materials using peridynamics.</p>
<p>This study presents a comprehensive approach by formulating coupled thermomechanical governing equations. The classical differential thermomechanical equations&#x2019; local spatial derivatives are replaced with non-local integral forms derived from the PDDO. The model&#x2019;s effectiveness is exemplified through two numerical examples investigating thermomechanical fracturing behaviors in brittle materials. The first example employs the Shuffle algorithm to accurately capture granite&#x2019;s inherent heterogeneity, probing crack behaviors during thermal cycling treatments. The second example introduces the Weibull distribution to simulate ceramic&#x2019;s heterogeneity, quantifying crack expansion during ceramic slab quenching. Remarkably, the PDDO model&#x2019;s predictions align well with other numerical and experimental outcomes, validating the efficacy of this fully coupled thermomechanical approach.</p>
<p>This innovative methodology unlocks new avenues for exploring the intricate thermal crack propagation behavior of materials like granite and ceramics. By integrating the PDDO into classical thermomechanical equations, it provides a deeper understanding of the initiation and progression of microcracks under thermal stress, with significant implications for structural integrity in various applications. This approach offers a distinctive perspective on fracture mechanics, enriching the comprehension of material behavior under thermal loading conditions.</p>
<p>The paper&#x2019;s structure is organized as follows: <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces the complete simulation framework. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> outlines the numerical implementation details. <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> is dedicated to modeling the first numerical example, while <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> focuses on the second numerical example. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> presents the conclusions drawn from the study.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Fully Coupled Thermomechanics Model</title>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Classical Thermomechanical Equations</title>
<p>The thermomechanical coupled equations in classical continuum mechanics are
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" 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>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the volumetric strain rate, <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is displacement tensor, <italic>T</italic> is the temperature, <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the reference temperature, <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the body force density vector, <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Cauchy stress tensor, <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the thermal modulus, <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the coefficient of thermal expansion, <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a source term,<inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the gradient operator, <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a divergence operator, <italic>E</italic> is Young&#x2019;s modulus, <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is Poisson&#x2019;s ratio, <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> are Lame&#x2019;s constants.</p>
<p>The component form of Cauchy stress tensor <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for isotropic linear thermoelasticity can be written as
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the components of the strain tensor, <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Kronecker symbol. The dummy indexes <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> equal to 1, 2, 3 for 3D-problems, 1, 2 for 2D-problems, and 1 for 1D-problems.</p>
<p>Expressing the strain component as the displacement component
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The thermomechanical coupling equation expressed in terms of the partial derivatives of the displacement components can be written as
<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>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></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>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>PDDO Equations</title>
<p>The inception of peridynamic theory was pioneered by Silling [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>]. Subsequently, Madenci et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>] presented a comprehensive PD definition, known as the PDDO. PDDO is frequently employed to deduce an integral non-local expression for local derivatives of arbitrary order [<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>], a derivation rooted in the Taylor series expansion, as depicted below:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the relative position vector, <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the remainder.</p>
<p>Here, an orthogonality property of PD function is introduced and constructed.
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;&#x2009;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo> <mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle> <mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the weight function, associated with each term <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the polynomial expansion. It can be used to measure the strength of the influence of the integral points in the defined horizon. The weight function between two points is usually used to describe the process of interaction strength of points, which is not a physical quantity in the experiment.</p>
<p>Based on the orthogonal nature of the PD function, the partial derivative can be as follows:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The orthogonality property of the PD function can be expressed as
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The unknown coefficients, <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">a</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be determined from the solution of
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The coefficient matrix can be constructed as
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></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>By solving for the unknown coefficients of this equation <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">a</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the PD functions <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be constructed.</p>
<p>After determining the PD functions, the first- and second-order derivatives can be expressed as
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" 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:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><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>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><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:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></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:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></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:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s2_3">
<label>2.3</label>
<title>Non-Local Integral Formulation of Fully Coupled Thermomechanics</title>
<p>The conventional thermodynamic <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eq. (4)</xref>, expressed in terms of displacement components, is augmented by substituting the local spatial derivatives with their corresponding non-local integral forms derived from the PDDO. As a result, the thermal diffusion equation can be formulated as follows:
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The equations of motion in two directions can be formulated as
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The PDDO model substitutes differentiation in the original equation with spatial integration, effectively circumventing the singularity issue inherent in continuous medium mechanics.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Numerical Implementation</title>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Spatial and Temporal Integration</title>
<p>In peridynamic simulations, spatial integrations can be assessed through a single-point Gaussian quadrature scheme, coupled with mesh-free particle discretization [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>]. <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref> illustrates the distribution of collocation points and family shapes within a 2D analysis. Note that the horizon can vary across individual points. In the subsequent simulations section, a symmetric horizon was used, meaning that the left and right family points have equal weight on the target points. Any asymmetric properties are a result of asymmetric family points, whether they exhibited symmetric or asymmetric characteristics as individual points.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Schematic of 2D-spatial discretization</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-1.tif"/>
</fig>
<p>Explicit time integration is employed to numerically solve the coupled PDDO thermomechanical equations. Specifically, for 2D problems, the discretization of the thermal diffusion equation can be represented as
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" 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:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the calculated time step of the thermal diffusion equation, <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the time step, <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the point within the horizon of the point <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total number of points, <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the approximate volume of the point, the actual volume of the 2D-dimensional matter point when using the orthogonal homogenization discretization is <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the length of the matter point. To ensure the accuracy of the integration, the amount of integration of the substance material needs to be modified [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>].</p>
<p>The motion equations can be discretized respectively as
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Numerical Implementation</title>
<p>In the peridynamics approach, the numerical model is discretized into numerous points, and the structural motion and deformation are characterized by non-local interactions among these points. <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> schematically illustrates the heat conduction mode, highlighting the distinction between non-local and conventional local forms. In non-local peridynamics, the interaction model is fundamentally different from conventional local theories. Instead of focusing solely on immediate neighboring contact points, non-local peridynamics consider interactions between a central material point and all other material points within a specified horizon range. This approach is particularly effective in scenarios like fracture mechanics, where classical continuum mechanics, reliant on local interactions, often falls short.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Schematic of heat conduction mode</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-2.tif"/>
</fig>
<p>Among the various non-local methods, the PDDO stands out, sharing the stage with other approaches such as General Particle Dynamics (GPD) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>]. These non-local methods are united by their capacity to handle long-range interactions and spatially distributed forces phenomena that traditional local theories cannot adequately address. PDDO, in particular, differentiates itself by employing integral equations without spatial derivatives, concentrating on the nonlocal interactions within the horizon of a material. This method provides a more comprehensive understanding of material behaviors, especially in contexts involving complex mechanical interactions. The advantage of non-local integral forms, compared to conventional local formulations, lies in their ability to capture the inherently non-local physics associated with microscopic scales [<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-47">47</xref>].</p>
<p>Bonds connecting two points are commonly employed to depict the progression of damage accumulation, crack initiation, and propagation. To characterize the state of these bonds, Silling et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] introduced a scalar-valued function linked to their historical evolution.
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></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-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the critical stretch, related to the fracture energy release rate <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of materials and peridynamic horizon size <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Its value for 2D problems can be defined as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>]
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> shows the influence of cracks on heat transfer. The presence of cracks results in a decreased thermal conductivity, as interactions between points passing through the cracks become ineffective in the system.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Crack effect on the heat transfer</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-3.tif"/>
</fig>
<p>Von Neumann stability analysis has revealed a substantial disparity between the time steps suitable for thermal diffusion and mechanical deformation, with the former being significantly larger [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>]. To address this discrepancy, explicit multiscale time integration schemes [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-50">50</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>] are introduced, as depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>, to effectively manage the unequal time steps inherent in thermomechanical coupled problems.</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Explicit multi-scale time integration scheme</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-4.tif"/>
</fig>
<p>The numerical algorithm for addressing the thermomechanical coupled problem is visually outlined in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>, encompassing three distinct phases: pre-processing, thermomechanical computation, and post-processing. Within the thermomechanical component, the initial stage involves thermal diffusion analysis, after which, upon a single step, the temperature is presumed to reach a steady-state condition. Subsequently, mechanical deformation analysis is carried out until the system attains the predetermined steady deformation state. Following this, the subsequent step of thermal diffusion analysis commences.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Numerical algorithm</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-5.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Thermal Cycling Treatment on Granite</title>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>Shuffle Algorithm</title>
<p>Heterogeneity represents a prevalent attribute of rock materials. It has been established that under high temperature, thermal cracking is induced by the non-uniform thermal expansion coefficient between different minerals, even without external constraints [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]. Consequently, the Shuffle algorithm is incorporated to simulate the inherent heterogeneity of rock materials [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>]. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>, the Shuffle algorithm is commonly employed to transform an ordered array into an unordered one, randomly assigning each element of the original array to any position within the rearranged array with equal probability.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>(a) The initial array; (b) the re-sorted array</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-6.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref> presents the mineral types, their respective contents, and the corresponding thermal expansion coefficients for the granites. Throughout the subsequent numerical simulations, the properties of individual components remain constant and do not vary with temperature. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6a</xref>, an array of relevant parameters is initially assigned, aligning with the mineral types and their contents within the granite material. Subsequently, the parameter information array undergoes reordering via the Shuffle algorithm, illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6b</xref>, resulting in the final parameter information array. <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> visualizes the ultimate distribution of thermal expansion coefficients associated with each material point.</p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>The mineral types, contents and thermal expansion coefficient parameters [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>] (Copyright obtained)</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Mineral</th>
<th>Content</th>
<th>Thermal expansion coefficient</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Feldspar</td>
<td>43.5%</td>
<td><inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mn>8.7</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Quartz</td>
<td>30%</td>
<td><inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mn>24.3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Biotite</td>
<td>26.5%</td>
<td><inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mn>3.0</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Thermal expansion coefficient distribution</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-7.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Results and Comparisons</title>
<p>To validate the efficacy of the proposed thermomechanical coupling approach, we conducted simulations to investigate damage behavior resulting from incompatible expansion between various minerals within granite materials under thermal cycling conditions. The granite specimen measures <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>mm</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in length and <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mn>20</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>mm</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in height, with boundaries free from any displacement constraints. The temperature boundaries of the model surface, similar to the imposition of the convection condition, heat can be imposed in the form of a rate of heat generation per point in the boundary layer. The heating rate of the boundary layer is <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msup><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C/step</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, corresponding to the thermal time step of <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mn>2.5</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;s/step</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, can be converted to <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msup><mml:mn>8</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C/s</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The test temperatures selected are <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>500</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>1000</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A temperature monitoring point at the center of the specimen records the entire thermal cycling treatment process. <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref> provides details regarding the PD discretization, thermal, and mechanical parameters employed in the numerical simulations, considering material properties as temperature-independent.</p>
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Discretization, mechanical and thermal parameters</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th>Parameters</th>
<th>Values</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Discretization</td>
<td>Uniformly distributed material points in x and y direction</td>
<td><inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mn>50</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Material point space</td>
<td><inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Horizon</td>
<td><inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Mechanical time step</td>
<td><inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mn>2.5</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Thermal time step</td>
<td><inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Mechanical</td>
<td>Young&#x2019;s modulus</td>
<td><inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>36</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>{ GPa}</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Poisson&#x2019;s ratio</td>
<td><inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Material density</td>
<td><inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2790</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>kg/m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Fracture energy</td>
<td><inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>J/m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Thermal</td>
<td>Thermal conductivity coefficient</td>
<td><inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3.5</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>J/(s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>K)</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>Specific heat capacity</td>
<td><inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>900</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>J/(kg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>K)</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref> shows the temperature curve at the center of the numerical specimen. The thermal treatment involves an initial stage of infrared radiation heating followed by a subsequent natural cooling phase, designed to explore the crack behavior of granite during thermal cycling treatment. The simulation spans <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mn>1040</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and at the point when the numerical simulation time reaches <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mn>520</mml:mn><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the temperature within the core area has attained <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>480.78</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, marking the beginning of the cooling process.</p>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Temperature curve at the center of the numerical specimen</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-8.tif"/>
</fig>
<p>The evolution of crack propagation patterns, temperature distributions, and horizontal displacement profiles at various time steps for loading temperatures of <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>500</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>1000</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Figs. 9</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-10">10</xref>. The different colors in the crack propagation patterns represent the damage values, as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref>. The color red in the figures indicates the material point is fully damaged, while the color blue represents the material point is undamaged. Initially, when the numerical model undergoes heating, minimal damage occurs due to the small compression displacement caused by the initial temperature change (t &#x003D; 40 s). With continuous heating, the temperature differential between the surface and core regions steadily increases, leading to the emergence of numerous microcrack patterns at the four boundaries. These cracks progressively extend from the boundaries towards the interior (t &#x003D; 120 s or t &#x003D; 200 s). As the numerical model continues to heat towards the maximum temperature, crack propagation persists towards the center, with new cracks continuously emerging at the boundaries (t &#x003D; 520 s or t &#x003D; 1000 s). During the early stages of the cooling process, temperature-induced displacement transitions from compression to tension (t &#x003D; 600 s or t &#x003D; 1040 s). Subsequently, as the surface temperature decreases further, tensile displacement occurs at the model&#x2019;s surface. In this phase, damage at the boundaries intensifies, and crack propagation no longer extends into the interior (t &#x003D; 1040 s or t &#x003D; 2000 s).</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>(a) Crack propagation patterns; (b) temperature distributions under <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>500</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-9.tif"/>
</fig><fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>(a) Crack propagation patterns; (b) temperature distributions and (c) horizontal displacement distributions under <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>1000</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-10.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref> shows the temperature distribution along the horizontal axis, with solid lines representing the heating stage and dashed lines representing the cooling stage. The presence of cracks should result in temperature discontinuities. However, this discontinuity in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Figs. 9</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-10">10b</xref> is not particularly pronounced. It is mainly reflected in the non-smooth variations of temperature, and the entire temperature field lacks evident discontinuity. This is likely due to cracks predominantly occur at the edges, without notably pronounced penetrating fractures.</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>Temperature distribution along the horizontal axis at various times under <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>500</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-11.tif"/>
</fig>
<p>For comparative purposes, experimental and previous numerical results are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref>. It is apparent that the damage models and crack paths across these results exhibit striking similarities. However, it is worth noting that neither the Shuffle algorithm nor other algorithms can precisely replicate the actual microstructure of granite material. Consequently, the distribution of cracks in the numerical simulation results may not entirely align with the observations derived from experimental data.</p>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Crack paths predicted by different methods: (a) experimental result under <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>500</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]; (b) experimental result under <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>1000</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]; (c) numerical result of crack [<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>] (Copyright obtained)</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-12.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Ceramic Slab in Quenching</title>
<sec id="s5_1">
<label>5.1</label>
<title>Characteristics of Fracture Process</title>
<p>Focusing on an <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Al</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>2</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>3</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> ceramic plate subjected to a quench test, we compare the crack paths predicted by the PD model with published numerical and experimental results. The quench test represents a standard scenario for examining thermal shock-induced damage, involving a brittle ceramic plate composed of <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Al</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>2</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>3</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> powder. In this test, the plate is initially heated to a high temperature of approximately <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>300</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and subsequently immersed in a <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>20</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> water bath. As the temperature rapidly decreases, the specimen&#x2019;s surface experiences significant contraction, resulting in the development of surface cracks that propagate towards the interior. The material parameters for the ceramic plate are detailed in <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>, and the geometric parameters and boundary conditions are illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>.</p>
<table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>Material parameters</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"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th><inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mrow><mml:mtext>E (GPa)</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>{m}</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>{2}</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>1</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x00B0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>J</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
<th><inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>J</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>370</td>
<td><inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
<td>3980</td>
<td>24.3</td>
<td><inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mn>7.5</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td>31</td>
<td>880</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Schematic diagram of <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Al</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>2</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>3</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> ceramic slab</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-13.tif"/>
</fig>
<p>For our simulations, we choose a point spacing of <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the horizon size can be determined by <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The time steps for the thermal diffusion equation are set at <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the time steps for the motion equation are specified as <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The crack propagation patterns at different time instants are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref>. During the initial cooling phase, notable temperature variations occur at the free surfaces where the thermal load is applied. Consequently, microcracks are initiated at the edges of the ceramic slab, and these initial cracks are predominantly parallel (<xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14a</xref>). Subsequently, due to the temperature gradient between the surface and the interior of the brittle ceramic slab, significant tensile forces persist at the boundaries. This leads to the expansion of some cracks towards the interior of the slab (<xref ref-type="fig" rid="fig-14">Figs. 14b</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-14">14c</xref>).</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Crack initiation and propagation patterns</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-14.tif"/>
</fig>
<p>Finally, as the temperature continues to decrease, the cooling effect advances towards the interior of the thin plate, reducing the temperature differential. As a result, some cracks cease to propagate while others continue to extend to a certain length (<xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14d</xref>).</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-15">Figs. 15</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-16">16</xref> depict the temperature and vertical displacement distributions at various time points. Notably, the temperature and vertical displacement patterns on both sides of the crack exhibit discontinuous distributions, reflecting the inherent non-local characteristics of peridynamics. Highlighting that conventional local algorithms, such as the Distinct Element Method, struggle to capture the temperature jump across the crack surface when simulating thermomechanical coupling problems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>].</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Temperature distribution</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-15.tif"/>
</fig><fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>Vertical displacement distribution</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-16.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_2">
<label>5.2</label>
<title>Fracture Simulations Considering Heterogeneity</title>
<p>Heterogeneity represents a significant characteristic of ceramic materials, and exploring its impact on crack morphology is crucial. To account for material heterogeneity, we introduce the Weibull distribution [<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>]. This distribution is employed to model the heterogeneous properties of the ceramic material. The Weibull distribution is defined as</p>
<p><disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a statistical distribution density function, <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the mechanical property, such as fracture energy release rate, <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the average value of the mechanical property and <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the homogeneity level index, which indicates the heterogeneity of a material.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17</xref> visually portrays the distribution of fracture energy release rates, the probability density function following the Weibull distribution, and statistical information related to fracture energy release rates. These statistics are provided for two numerical models generated with the same exponential value, m &#x003D; 5.</p>
<fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>Random fracture energy release rate (left side: model 1; right side: mode 2)</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-17a.tif"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-17b.tif"/>
</fig>
<p>The ultimate thermal crack path is depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-18">Figs. 18a</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-18">18b</xref>. When compared to the findings presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref>, there are evident slight oscillations and deflections in the crack paths. <xref ref-type="fig" rid="fig-18">Fig. 18</xref> also includes previously published experimental and numerical results. Through a comparative analysis of these results, the following conclusions can be drawn: during the initial cooling phase, multiple microcracks first manifest at the edges of the ceramic slab. These microcracks originate from the edges and gradually propagate towards the interior. Initially, these microcracks are nearly parallel, but as they extend, they exhibit variations in length.</p>
<fig id="fig-18">
<label>Figure 18</label>
<caption>
<title>Crack paths predicted by different methods (Copyright obtained) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-54">54</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-55">55</xref>]</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_47566-fig-18.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_3">
<label>5.3</label>
<title>Limiations of the PDDO-Based Fully Coupled Thermomechanical Model</title>
<p>It is also noteworthy that this study has three main limitations of the PDDO-based model in quantifying thermomechanical brittle fracturing phenomena. First, the weight function <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is chosen empirical, which should be further explored for various conditions. Second, the horizon is determined by specified data <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the quantitative relationship between horizon and media needs to be established in the future. Third, non-local property leads to the calculation time of the PDDO-based model being much higher than that of the local model. Fast algorithms for solving the PDDO-based model need to be further investigated.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Conclusions</title>
<p>This study introduces a fully coupled thermomechanical model that efficiently addresses thermomechanical brittle fracturing phenomena in granite and ceramic materials by substituting the classical local spatial derivatives with the non-local integral formulation derived from PDDO. The model&#x2019;s predictions have been rigorously validated against existing numerical and experimental data. Based on the obtained results, the following key conclusions can be drawn:</p>
<p>(1) The PDDO transforms continuum mechanics equations into non-local integral form, eliminating the need for extra calibration. Cracks naturally propagate without added fracture criteria in the PDDO model, mitigating issues of traditional continuum-based numerical methods. This innovative approach holds the potential for advancing fracture mechanics analyses.</p>
<p>(2) During the thermal cycling of granite, microcracks initiate at boundaries and progress inwards, persisting through both heating and cooling stages. Additionally, the quenching of ceramic slabs sees surface-initiated microcracks gradually extending inward. While initially parallel, crack lengths eventually vary. These findings deepen our understanding of material fracture behavior under thermal stress.</p>
<p>(3) The employed multi-rate explicit time integration scheme effectively resolves diverse time-scale challenges in multi-physics systems. Additionally, the application of the Shuffle algorithm and Weibull distribution efficiently captures the inherent heterogeneity of brittle materials. These techniques contribute significantly to advancing our understanding of material behavior.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>The authors would like to extend their gratitude to the reviewers for their valuable suggestions, which significantly enhanced the quality of this paper. The authors also acknowledge the support provided by the University Natural Science Foundation of Jiangsu Province and the National Natural Science Foundation of China.</p>
</ack>
<sec><title>Funding Statement</title>
<p>This work was supported by the University Natural Science Foundation of Jiangsu Province (Grant No. 23KJB130004), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11932006, U1934206, 12172121, 12002118).</p>
</sec>
<sec><title>Author Contributions</title>
<p>The authors confirm contribution to the paper as follows: study conception and design: T.L., Q.Z.; data collection: T.L.; analysis and interpretation of results: T.L., X.G., Q.Z.; draft manuscript preparation: T.L., X.G., Q.Z. 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 and codes that support the findings of this study are available from the corresponding author upon reasonable request.</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="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>An experimental study on the physico-mechanical properties of two post-high-temperature rocks</article-title>. <source>Engineering Geology</source><italic>,</italic> <volume>185</volume><italic>,</italic> <fpage>63</fpage>&#x2013;<lpage>70</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>Gupta</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Talha</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Recent development in modeling and analysis of functionally graded materials and structures</article-title>. <source>Progress in Aerospace Sciences</source><italic>,</italic> <volume>79</volume><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</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>Kingery</surname>, <given-names>W. D.</given-names></string-name></person-group> (<year>1955</year>). <article-title>Factors affecting thermal stress resistance of ceramic materials</article-title>. <source>Journal of the American Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>38</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>15</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>Nied</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Thermal shock in an edge-cracked plate subjected to uniform surface heating</article-title>. <source>Engineering Fracture Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>26</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>246</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>Shao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Meng</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bai</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jiang</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Crack patterns in ceramic plates after quenching</article-title>. <source>Journal of the American Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>93</volume><italic>(</italic><issue>10</issue><italic>),</italic> <fpage>3006</fpage>&#x2013;<lpage>3008</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>Shao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Effect of crack pattern on the residual strength of ceramics after quenching</article-title>. <source>Journal of the American Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>94</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>2804</fpage>&#x2013;<lpage>2807</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>Shao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Song</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Observation of ceramic cracking during quenching</article-title>. <source>Journal of the American Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>100</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>520</fpage>&#x2013;<lpage>523</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>Shao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wei</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Crack propagation speed in ceramic during quenching</article-title>. <source>Journal of the European Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>38</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>2879</fpage>&#x2013;<lpage>2885</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>Geyer</surname>, <given-names>J. F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nemat-Nasser</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1982</year>). <article-title>Experimental investigation of thermally induced interacting cracks in brittle solids</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>18</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>349</fpage>&#x2013;<lpage>356</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>Fan</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ma</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An investigation of thermal effects on micro-properties of granite by x-ray ct technique</article-title>. <source>Applied Thermal Engineering</source><italic>,</italic> <volume>140</volume><italic>,</italic> <fpage>505</fpage>&#x2013;<lpage>519</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>Zhu</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mei</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jiang</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dou</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Experimental investigation on physical and mechanical properties of thermal cycling granite by water cooling</article-title>. <source>Acta Geotechnica</source><italic>,</italic> <volume>15</volume><italic>,</italic> <fpage>1881</fpage>&#x2013;<lpage>1893</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>Bobaru</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Designing optimal volume fractions for functionally graded materials with temperature-dependent material properties</article-title>. <source>Journal of Applied Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>74</volume><italic>,</italic> <fpage>861</fpage>&#x2013;<lpage>874</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>Zhang</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hao</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Geng</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lv</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Experimental study on the variation of physical and mechanical properties of rock after high temperature treatment</article-title>. <source>Applied Thermal Engineering</source><italic>,</italic> <volume>98</volume><italic>,</italic> <fpage>1297</fpage>&#x2013;<lpage>1304</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>Yang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jing</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Huang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ranjith</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jiao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Fracture mechanical behavior of red sandstone containing a single fissure and two parallel fissures after exposure to different high temperature treatments</article-title>. <source>Journal of Structural Geology</source><italic>,</italic> <volume>69</volume><italic>,</italic> <fpage>245</fpage>&#x2013;<lpage>264</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>de Borst</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Verhoosel</surname>, <given-names>C. V.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Gradient damage <italic>vs</italic> phase-field approaches for fracture: Similarities and differences</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>312</volume><italic>,</italic> <fpage>78</fpage>&#x2013;<lpage>94</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>Chu</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Study the dynamic crack path in brittle material under thermal shock loading by phase field modeling</article-title>. <source>International Journal of Fracture</source><italic>,</italic> <volume>208</volume><italic>,</italic> <fpage>115</fpage>&#x2013;<lpage>130</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>Tarasovs</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ghassemi</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Self-similarity and scaling of thermal shock fractures</article-title>. <source>Physical Review E</source><italic>,</italic> <volume>90</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>012403</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>18.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tang</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Numerical model for the cracking behavior of heterogeneous brittle solids subjected to thermal shock</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>80</volume><italic>,</italic> <fpage>520</fpage>&#x2013;<lpage>531</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Menouillard</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Belytschko</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Analysis and computations of oscillating crack propagation in a heated strip</article-title>. <source>International Journal of Fracture</source><italic>,</italic> <volume>167</volume><italic>,</italic> <fpage>57</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Silling</surname>, <given-names>S. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Reformulation of elasticity theory for discontinuities and long-range forces</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>48</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>175</fpage>&#x2013;<lpage>209</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>Silling</surname>, <given-names>S. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Askari</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>A meshfree method based on the peridynamic model of solid mechanics</article-title>. <source>Computers &#x0026; Structures</source><italic>,</italic> <volume>83</volume><italic>(</italic><issue>17&#x2013;18</issue><italic>),</italic> <fpage>1526</fpage>&#x2013;<lpage>1535</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>Silling</surname>, <given-names>S. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Epton</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Weckner</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Askari</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Peridynamic states and constitutive modeling</article-title>. <source>Journal of Elasticity</source><italic>,</italic> <volume>88</volume><italic>,</italic> <fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>184</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>Madenci</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Barut</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Futch</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Peridynamic differential operator and its applications</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>304</volume><italic>,</italic> <fpage>408</fpage>&#x2013;<lpage>451</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>Bergel</surname>, <given-names>G. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>The total and updated lagrangian formulations of state-based peridynamics</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>58</volume><italic>,</italic> <fpage>351</fpage>&#x2013;<lpage>370</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>Yan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kan</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>A. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Higher-order nonlocal theory of updated lagrangian particle hydrodynamics (ULPH) and simulations of multiphase flows</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>368</volume><italic>,</italic> <fpage>113176</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On approximation theory of nonlocal differential operators</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>122</volume><italic>(</italic><issue>23</issue><italic>),</italic> <fpage>6984</fpage>&#x2013;<lpage>7012</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>Kan</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>A. M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On differences and comparisons of peridynamic differential operators and nonlocal differential operators</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>68</volume><italic>,</italic> <fpage>1349</fpage>&#x2013;<lpage>1367</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>Ren</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fan</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bergel</surname>, <given-names>G. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Regueiro</surname>, <given-names>R. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A peridynamics-SPH coupling approach to simulate soil fragmentation induced by shock waves</article-title>. <source>Computational Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>55</volume><italic>,</italic> <fpage>287</fpage>&#x2013;<lpage>302</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>Kilic</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Madenci</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Prediction of crack paths in a quenched glass plate by using peridynamic theory</article-title>. <source>International Journal of Fracture</source><italic>,</italic> <volume>156</volume><italic>,</italic> <fpage>165</fpage>&#x2013;<lpage>177</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>D&#x2019;Antuono</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Morandini</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Thermal shock response via weakly coupled peridynamic thermo-mechanics</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>129</volume><italic>,</italic> <fpage>74</fpage>&#x2013;<lpage>89</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>31.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Giannakeas</surname>, <given-names>I. N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Papathanasiou</surname>, <given-names>T. K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bahai</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Simulation of thermal shock cracking in ceramics using bond-based peridynamics and fem</article-title>. <source>Journal of the European Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>38</volume><italic>(</italic><issue>8</issue><italic>),</italic> <fpage>3037</fpage>&#x2013;<lpage>3048</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>Chu</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mei</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A rate-dependent peridynamic model for the dynamic behavior of ceramic materials</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>124</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>178</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2020.010115</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>33.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bazazzadeh</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mossaiby</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shojaei</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>An adaptive thermo-mechanical peridynamic model for fracture analysis in ceramics</article-title>. <source>Engineering Fracture Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>223</volume><italic>,</italic> <fpage>106708</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>34.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mei</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Thermo-mechanical coupling model of bond-based peridynamics for quasi-brittle materials</article-title>. <source>Materials</source><italic>,</italic> <volume>15</volume><italic>(</italic><issue>20</issue><italic>),</italic> <fpage>7401</fpage>; <pub-id pub-id-type="pmid">36295466</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>35.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Prakash</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Deng</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Stewart</surname>, <given-names>R. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Smith</surname>, <given-names>C. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Harris</surname>, <given-names>J. T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Investigation of microscale fracture mechanisms in glass-ceramics using peridynamics simulations</article-title>. <source>Journal of the American Ceramic Society</source><italic>,</italic> <volume>105</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>4304</fpage>&#x2013;<lpage>4320</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>36.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kou</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Peridynamic investigation on thermal fracturing behavior of ceramic nuclear fuel pellets under power cycles</article-title>. <source>Ceramics International</source><italic>,</italic> <volume>44</volume><italic>(</italic><issue>10</issue><italic>),</italic> <fpage>11512</fpage>&#x2013;<lpage>11542</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>37.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rabczuk</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ren</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A peridynamics formulation for quasi-static fracture and contact in rock</article-title>. <source>Engineering Geology</source><italic>,</italic> <volume>225</volume><italic>,</italic> <fpage>42</fpage>&#x2013;<lpage>48</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>38.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Peridynamic simulation of thermal failure behaviors in rocks subjected to heating from boreholes</article-title>. <source>International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences</source><italic>,</italic> <volume>117</volume><italic>,</italic> <fpage>31</fpage>&#x2013;<lpage>48</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>39.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Peridynamic simulation on fracture mechanical behavior of granite containing a single fissure after thermal cycling treatment</article-title>. <source>Computers and Geotechnics</source><italic>,</italic> <volume>120</volume><italic>,</italic> <fpage>103414</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>Yang</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Peridynamic simulation of fracture mechanical behaviour of granite specimen under real-time temperature and post-temperature treatments</article-title>. <source>International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences</source><italic>,</italic> <volume>138</volume><italic>,</italic> <fpage>104573</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>Feng</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Peridynamic simulation of the mechanical responses and fracturing behaviors of granite subjected to uniaxial compression based on ct heterogeneous data</article-title>. <source>Engineering with Computers</source><italic>,</italic> <volume>39</volume><italic>,</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>23</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>Gu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Madenci</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Refined bond-based peridynamics for thermal diffusion</article-title>. <source>Engineering Computations</source><italic>,</italic> <volume>36</volume><italic>(</italic><issue>8</issue><italic>),</italic> <fpage>2557</fpage>&#x2013;<lpage>2587</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>43.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Anicode</surname>, <given-names>S. V. K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Madenci</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Phan</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2023</year>). <article-title>A unified method to simulate electrodeposition and galvanic corrosion using the peridynamic differential operator</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>408</volume><italic>,</italic> <fpage>115968</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>44.</label><mixed-citation publication-type="other"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yu</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <source>Enhanced integration method for the peridynamic theory</source> <comment><italic>(Ph.D. Thesis)</italic>. Kansas State University, USA</comment>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>45.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yao</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dias</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jia</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Frictional contact and stick-slip: Mechanism and numerical technology</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>274</volume><italic>,</italic> <fpage>112289</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>46.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Du</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gunzburger</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lehoucq</surname>, <given-names>R. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>A nonlocal vector calculus, nonlocal volume-constrained problems, and nonlocal balance laws</article-title>. <source>Mathematical Models and Methods in Applied Sciences</source><italic>,</italic> <volume>23</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>493</fpage>&#x2013;<lpage>540</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-47"><label>47.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luciani</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mora</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Virmont</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>1983</year>). <article-title>Nonlocal heat transport due to steep temperature gradients</article-title>. <source>Physical Review Letters</source><italic>,</italic> <volume>51</volume><italic>(</italic><issue>18</issue><italic>),</italic> <fpage>1664</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-48"><label>48.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bobaru</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Foster</surname>, <given-names>J. T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Geubelle</surname>, <given-names>P. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Silling</surname>, <given-names>S. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <source>Handbook of peridynamic modeling</source>. <publisher-name>Boca Raton, Florida: CRC Press</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-49"><label>49.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xia</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A refined thermo-mechanical fully coupled peridynamics with application to concrete cracking</article-title>. <source>Engineering Fracture Mechanics</source><italic>,</italic> <volume>242</volume><italic>,</italic> <fpage>107463</fpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-50"><label>50.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gear</surname>, <given-names>C. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wells</surname>, <given-names>D. R.</given-names></string-name></person-group> (<year>1984</year>). <article-title>Multirate linear multistep methods</article-title>. <source>BIT Numerical Mathematics</source><italic>,</italic> <volume>24</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>484</fpage>&#x2013;<lpage>502</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-51"><label>51.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Seny</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lambrechts</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Toulorge</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Legat</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Remacle</surname>, <given-names>J. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>An efficient parallel implementation of explicit multirate runge-kutta schemes for discontinuous galerkin computations</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>256</volume><italic>,</italic> <fpage>135</fpage>&#x2013;<lpage>160</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>Huang</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Spencer</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hales</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Discrete element method for simulation of early-life thermal fracturing behavior in ceramic nuclear fuel pellets</article-title>. <source>Nuclear Engineering and Design</source><italic>,</italic> <volume>278</volume><italic>,</italic> <fpage>515</fpage>&#x2013;<lpage>528</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>Tang</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Crack branching mechanism of rock-like quasi-brittle materials under dynamic stress</article-title>. <source>Journal of Central South University</source><italic>,</italic> <volume>19</volume><italic>(</italic><issue>11</issue><italic>),</italic> <fpage>3273</fpage>&#x2013;<lpage>3284</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>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kou</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>An improved coupled thermo-mechanic bond-based peridynamic model for cracking behaviors in brittle solids subjected to thermal shocks</article-title>. <source>European Journal of Mechanics-A/Solids</source><italic>,</italic> <volume>73</volume><italic>,</italic> <fpage>282</fpage>&#x2013;<lpage>305</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-55"><label>55.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jiang</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Song</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shao</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>A study of the mechanism of formation and numerical simulations of crack patterns in ceramics subjected to thermal shock</article-title>. <source>Acta Materialia</source><italic>,</italic> <volume>60</volume><italic>(</italic><issue>11</issue><italic>),</italic> <fpage>4540</fpage>&#x2013;<lpage>4550</lpage>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>