<?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">75706</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2026.075706</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Geometrically Nonlinear Analyses of Isotropic and Laminated Shells by a Hierarchical Quadrature Element Method</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Geometrically Nonlinear Analyses of Isotropic and Laminated Shells by a Hierarchical Quadrature Element Method</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Geometrically Nonlinear Analyses of Isotropic and Laminated Shells by a Hierarchical Quadrature Element Method</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Lan</surname><given-names>Yingying</given-names></name></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Liu</surname><given-names>Bo</given-names></name><email>liubo68@buaa.edu.cn</email></contrib>
<aff id="aff-1"><institution>The Solid Mechanics Research Centre, School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University (BUAA)</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Bo Liu. Email: <email>liubo68@buaa.edu.cn</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2026</year>
</pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic">
<day>29</day><month>1</month><year>2026</year>
</pub-date>
<volume>146</volume>
<issue>1</issue>
<elocation-id>10</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>06</day>
<month>11</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>30</day>
<month>12</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2026 The Authors.</copyright-statement>
<copyright-year>2026</copyright-year>
<copyright-holder>Published by Tech Science Press.</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_75706.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>In this work, the Hierarchical Quadrature Element Method (HQEM) formulation of geometrically exact shells is proposed and applied for geometrically nonlinear analyses of both isotropic and laminated shells. The stress resultant formulation is developed within the HQEM framework, consequently significantly simplifying the computations of residual force and stiffness matrix. The present formulation inherently avoids shear and membrane locking, benefiting from its high-order approximation property. Furthermore, HQEM&#x2019;s independent nodal distribution capability conveniently supports local p-refinement and flexibly facilitates mesh generation in various structural configurations through the combination of quadrilateral and triangular elements. Remarkably, in lateral buckling analysis, the HQEM outperforms the weak-form quadrilateral element (QEM) in accuracy with identical nodal degrees of freedom (three displacements and two rotations). Under high-load nonlinear response, the QEM exhibits a maximum relative deviation of approximately 9.5% from the reference, while the HQEM remains closely aligned with the benchmark results. In addition, for the cantilever beam under tip moment, HQEM produces virtually no out-of-plane deviation, compared to a slight deviation of 0.00001 with QEM, confirming its superior numerical reliability. In summary, the method demonstrates high accuracy, superior convergence, and robustness in handling large rotations and complex post-buckling behaviors across a series of benchmark problems.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Geometrically exact shell</kwd>
<kwd>hierarchical quadrature element method</kwd>
<kwd>geometrically nonlinear</kwd>
<kwd>laminated shells</kwd>
<kwd>local p-refinement</kwd>
<kwd>shear and membrane locking</kwd>
<kwd>post-buckling behaviors</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>National Natural Science Foundation of China</funding-source>
<award-id>12472194</award-id>
<award-id>12002018</award-id>
<award-id>11972004</award-id>
<award-id>11772031</award-id>
<award-id>11402015</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Nonlinear shell analysis has long been a subject of extensive research [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>], owing to its critical role in a wide range of engineering fields such as aerospace, civil architecture, and automotive design. Although the mathematical foundations of shell theory were laid well before the advent of modern computational mechanics, its notoriously intricate formulations have historically posed considerable challenges for numerical implementation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>]. A major breakthrough came in 1989 when Simo and Fox [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>] developed the geometrically exact shell theory based on Cosserat&#x2019;s hypothesis [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>] and Mindlin-Reissner theory [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>]. This shell model only requires a mid-surface&#x2019;s position vector and an inextensible director to describe the configuration, with the exclusion of drilling rotations. Since the introduction of the geometrically exact shell model, considerable efforts have been devoted to advancing its theoretical framework. Ibrahimbegovi&#x0107; established a finite rotation-based stress resultant framework and addressed singularity issues through vector-like parameterizations [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>] developed a nonlocal geometrically exact shell theory for fracture modeling under finite deformations. Ma et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>] introduced a phase-field fracture model for stress-resultant geometrically exact shells within the finite deformation regime. Parallel to these, the development of the finite element method has been a central theme for improving numerical accuracy and mitigating locking effects. In this context, Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] introduced a weak-form quadrature element method (QEM), which improves computational efficiency through direct numerical integration at collocation points. Lavren&#x010D;i&#x010D; et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>] systematically compared mixed and hybrid finite element formulations based on variational principles such as Assumed Natural Strain and Hu&#x2013;Washizu functionals, aiming to identify optimal approaches for approximating shell behavior. More recently, Kim et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>] applied isogeometric analysis with B&#x00E9;zier extraction and assumed natural strain methods, further bridging geometric modeling and high-order finite element analysis.</p>
<p>In practical engineering, the finite element method (FEM) based on geometrically exact formulations has been extensively applied to model the nonlinear response of shells under large deformations [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>]. Representative applications include structural stability in advanced materials and structures [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>], the nonlinear dynamic analysis of fiber-reinforced composite shell [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>], the modeling of curved thin-walled structures with deformable cross-sections [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>], the simulation of the contact of composite laminates [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>], as well as complex failure phenomena in large deformation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>]. Moreover, contemporary shell modeling is being reshaped by broader computational mechanics trends. One major trend is the incorporation of machine learning into the finite element analysis workflow, for purposes ranging from integrating nonlinear shell analysis into design frameworks [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>] to merge pattern recognition with a finite element model [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>]. Simultaneously, the push for higher computational efficiency has established GPU-accelerated solvers as a critical performance enabler, with demonstrated successes in stamping simulation using shell elements [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] and in explicit dynamics for thin shells [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>].</p>
<p>Despite these advancements, practical engineering applications face notable challenges. Low-order elements are widely used but hindered by high computational costs and locking effects. To address these limitations, high-order methods have emerged. In the past decades, the hierarchical finite element method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>], meshfree method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>], weak form quadrature element method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>], iso-geometric analysis (IGA) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>], spectral elements [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>] and other high-order schemes have begun to emerge for large-scale engineering analyses with high accuracy. However, high-order methods often introduce a new set of challenges, such as meshing difficulties for complex geometries and cumbersome stiffness formulations, presenting a hurdle for practical application. In this context, the Hierarchical Quadrature Element Method (HQEM) was developed to address the implementation difficulties of the hierarchical finite element method, particularly in imposing boundary conditions and assembling elements, by introducing interpolative bases based on differential quadrature nodes along element boundaries [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>]. Consequently, the HQEM offers a great balance between computational efficiency and implementation practicality. Further compounding these numerical challenges is the growing need for formulations capable of handling laminated composites, which are increasingly used in lightweight and high-performance structures [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>]. Extending existing models to laminate materials, however, introduces further complexities in constitutive integration and stress resultant computations, necessitating a mathematically concise and computationally efficient formulation for the nonlinear analysis of complex shell structures undergoing large deformations.</p>
<p>To meet this need, this work presents an extension of the Hierarchical Quadrature Element Method (HQEM) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>] to the nonlinear analysis of both isotropic and laminated shells. By leveraging high-order approximation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>] and hierarchical structure [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>], HQEM inherently mitigates shear and membrane locking and readily enables local p-refinement. Notably, the HQEM has demonstrated versatility across various engineering applications. Its applications range from the dynamic analysis of rotor systems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>] and the multi-physics reliability assessment of conical shells [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>], to thermo-mechanical fracture simulation with efficient remeshing [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>]. The key contributions of this work are summarized as follows: (1) a unified HQEM formulation for geometrically exact isotropic and laminated shells; (2) significant simplification of residual force and stiffness matrix computations; (3) inherent mitigation of shear and membrane locking; (4) convenient support for local p-refinement; (5) compared with the weak-form quadrilateral element (QEM) approach [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], accurate capture of nonlinear behavior under high loads; and (6) flexible mesh generation through the combination of quadrilateral and triangular elements. While the current formulations are applied to linear elastic laminates, the HQEM framework can be extended to accommodate more complex scenarios, such as those involving plasticity and functionally graded materials, by introducing appropriate inelastic material models. These extensions will be explored in future work.</p>
<p>The organization of this paper is as follows: <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces a brief review of geometrically exact shell theory and constitutive relations of laminated shells. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> introduces the rotation description, updating of the current director with quaternions. <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> introduces the shape function of quadrilateral/trilateral HQEM and develops the stress resultant formulation within the HQEM framework, subsequently deriving the corresponding residual force vectors and tangent stiffness matrices. In <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>, seven benchmark problems are analyzed to confirm the accuracy and convergence of the HQEM. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> presents the conclusions of the study.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Geometrically Exact Shells Model</title>
<p>In the geometrically exact shell model, the shell&#x2019;s configuration is defined by its mid-surface position and an associated unit director field. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, a Cartesian reference frame <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is introduced, where <bold>r</bold> denotes the mid-surface position vector, and <bold>t</bold> represents the unit director. The current and initial configurations are labeled as <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively. The current configuration of a quadrilateral shell patch is then fully described by
<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 mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2282;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>x</italic><sup>&#x1D6FC;</sup> (&#x1D6FC; &#x003D; 1, 2) are convected coordinates describing the midsurface of the shell, and the <italic>x</italic><sup>3</sup> is the thickness coordinate. The thickness of the shell is defined by <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. For the ease of representing the deformation gradient of the shell, the current covariant frames <bold>G</bold><sub><italic>i</italic></sub> (<italic>i</italic> &#x003D; 1, 2, 3) and initial covariant frames <bold>g</bold><sub><italic>i</italic></sub> (<italic>i</italic> &#x003D; 1, 2, 3) are defined as
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" 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 left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <bold>r</bold><sub>0</sub> and <bold>r</bold> denote the mid-surface position vectors in the initial and current configurations, respectively; <bold>t</bold><sub>0</sub> and <bold>t</bold> are the corresponding unit directors. Subscript, (&#x03B1;) indicates partial derivatives with respect to the coordinates <italic>x</italic><sup>&#x03B1;</sup> (&#x03B1; &#x003D; 1, 2). The differentiation of the mid-surface in the initial configuration is defined as
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" 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:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>in which <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the projection parameter in the initial configuration. With the definition of deformation gradient <bold>F</bold>
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" 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:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <bold>g</bold><sup><italic>i</italic></sup> is the contravariant basis vector of <bold>g</bold><sub><italic>i</italic></sub>, satisfying <bold>g</bold><sub><italic>i</italic></sub><italic>&#x00B7;</italic><bold>g</bold><sup><italic>j</italic></sup> &#x003D; &#x03B4;<sub><italic>ij</italic></sub>, with &#x03B4;<sub><italic>ij</italic></sub> being the Kronecker delta. The Green&#x2013;Lagrange strain tensor <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" 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:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2297;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and the strain component <italic>&#x03B5;</italic><sub><italic>ij</italic></sub> can also be written as
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" 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:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Initial and current configurations of shell</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-1.tif"/>
</fig>
<p>Given the negligible effect of transverse shear gradients in this context [<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>], the quadratic terms in <italic>x</italic><sup>3</sup> can be omitted from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref>. Meanwhile, the retained strain components align with those established by Simo et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>]. The explicit expressions of the strain component are
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" 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:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The relationship between strain <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and stress <bold>s</bold> can be expressed as:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" 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:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>in which the vector forms of strain <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> measures and stress <bold>s</bold> resultants are given as
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" 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:mtext mathvariant="bold">s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>A laminated composite shell is composed of a finite number of stacked thin layers with individual material properties along its thickness direction. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, a local Cartesian material frame {<inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>} (<inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>) is defined on the layer&#x2019;s initial configuration, with its base vectors <bold>e</bold><sub>1</sub> and <bold>e</bold><sub>2</sub> aligned with the fiber&#x2019;s longitudinal and transverse directions, respectively. For a certain single layer, the homogeneous orthotropic linear elastic constitutive relationship is assumed for material modeling. The constitutive matrix <bold>D</bold> of <italic>p</italic>th layer is thus obtained 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:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">L</mml:mtext></mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">L</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where
<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:mtd><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">L</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>in which <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> &#x003D; <bold>e</bold><sub><italic>&#x03B1;</italic></sub>&#x00B7;<bold>g</bold><sup><italic>&#x03B2;</italic></sup>. <italic>E</italic>, <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <italic>G</italic> denote the Young&#x2019;s modulus, Poisson&#x2019;s ratio, and shear modulus of the material. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, the vectors <bold>e</bold><sub>&#x03B1;</sub> and the base vectors <bold>g</bold><sub>&#x03B1;</sub>, <bold>g</bold><sup>&#x03B1;</sup> all lie in the plane normal to <bold>t</bold><sub>0</sub>.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Local coordinate systems for a single layer</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-2.tif"/>
</fig>
<p>Although the current formulations are applied to linear elastic laminates, the HQEM framework can be extended to accommodate more complex scenarios, such as those involving plasticity and functionally graded materials, by introducing appropriate inelastic material models. These extensions will be explored in future work.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Rotation Description</title>
<p>In classical shell theory, the individual element nodal variable vector &#x03B4;<bold>u</bold> is defined as
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represent the two rotation components, respectively. The current director <bold>t</bold> can be obtained through quaternions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>] 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:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>&#x2218;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2218;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the conjugated quaternion, and <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> denotes one of the base vectors of the Cartesian coordinate. The current quaternion <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be updated from the initial quaternion <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> 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:mtd><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2218;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>in which
<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:mtd><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the incremental rotation vector. The quaternion representation adopted here has proven to be a stable and efficient tool for algebraic operations [<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>], enabling a convenient and robust description of spatial rotations and the corresponding update procedures. Besides the quaternion, other rotation parameterizations, such as updating the rotation vector via the rotation tensor [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>], are also feasible.</p>
<p>The rotation from the initial director to the current director can also be described by the rotation tensor <bold>&#x039B;</bold> as
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" 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:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>In classical shell theory, the rotation of the director vector <bold>t</bold> is constrained to remain within its normal plane (i.e., no drilling rotation). In addition, the director orthogonal frame is denoted by {<inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>} (<inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1, 2, 3). The {<inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>} (<inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1, 2, 3) is defined as
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" 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:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></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:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>) represents the inertial (fixed) basis of the Cartesian reference frame {<inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>} (<inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>), and defined as
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Because the drilling rotation of director <bold>t</bold> is omitted, the rotations at a point are described by only two independent variables (&#x03B4;<italic>&#x03B8;</italic><sub>1</sub> and &#x03B4;<italic>&#x03B8;</italic><sub>2</sub>). Therefore, the infinitesimal incremental rotation vector &#x03B4;<bold>&#x03B8;</bold> is constrained to be orthogonal to <bold>t</bold> and its variation &#x03B4;<bold>t</bold>. In this way, the infinitesimal incremental rotation vector &#x03B4;<bold>&#x03B8;</bold> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For the orthogonality of the rotation tensor <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the variation of <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by introducing a rotation vector variation <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi></mml:math></disp-formula>where &#x005E; denotes the skew-symmetric tensor form of a vector. The variation of <bold>t</bold> thus can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref> as
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Element Formulation of HQEM</title>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>Shape Functions for HQEM</title>
<p>Although the quadrilateral element is the most prevalent and is the main element discussed in this work, triangular elements are advantageous in certain cases, such as for modeling circular/spherical shells, for facilitating mesh generation. Consequently, the shape functions for triangular elements are also addressed in this section. Different from the quadrilateral element method (QEM), where all element nodes serve as integration points, the HQEM instead employs Gauss-Lobatto integration points (<italic>m</italic><sub><italic>g</italic></sub> &#x00D7; <italic>n</italic><sub><italic>g</italic></sub>) for numerical integration. The HQEM permits independent node distribution at the vertices, edges, and interior of each element. Provided that the C<sup>0</sup> continuity of the basis functions across element boundaries is guaranteed, this flexibility enables the assembly of elements with varying edge-node configurations and arbitrarily distributed face nodes. This capability enables key features such as local p-refinement and the combination of quadrilateral and triangular elements.</p>
<sec id="s4_1_1">
<label>4.1.1</label>
<title>Quadrilateral Elements</title>
<p>The hierarchical quadrature elements with curved edges in two-dimensional domains are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>. The bases on the edges of the quadrilateral element are Serendipity interpolation shape functions based on non-uniform Gauss-Lobatto nodes, while the bases inside the quadrilateral element are the hierarchical shape functions in tensor product form.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>A quadrilateral element: (<bold>a</bold>) parametric domain, (<bold>b</bold>) geometric domain</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-3.tif"/>
</fig>
<p>As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>, this flexibility enables varying nodal counts along individual edges in the quadrilateral element. The corresponding shape functions for these geometric features are respectively defined as <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>. The shape function matrix <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are defined as
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with the dimension of 1 &#x00D7; <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the total number of HQEM nodes. As depicted in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref>, <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>(<italic>k</italic> &#x003D; 1, 2, 3, 4) is the Serendipity interpolation shape functions on the edges, <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>(<italic>k</italic> &#x003D; 1, 2, 3, 4) is the shape function at four corners, <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the shape function inside the quadrilateral element domain. As shown in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, <italic>M</italic> and <italic>N</italic> denote the number of nodes on the boundaries in the &#x03BE; and &#x03B7; directions, respectively. Correspondingly, <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the number of nodes in the interior of the element along these directions. <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Lagrange shape function corresponding to the <italic>i</italic>-th node on an edge along <italic>&#x03BE;</italic> direction:
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Shape function of the quadrilateral element</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Geometries</th>
<th>Shape function</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>4 vertices</td>
<td><inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>4 edges</td>
<td><inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Face</td>
<td><inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the Legendre polynomials, and
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In order to analyze HQEM&#x2019;s capacity of p-refinement, a simply supported plate subjected to a central point load is modeled as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4a</xref>. The material and geometrical parameters are defined as follows: Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 10.92 &#x00D7; 10<sup>5</sup>, length <italic>l</italic> &#x003D; 5, <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.2, and thickness <italic>h</italic> &#x003D; 0.1. Due to symmetry, only one quarter of the plate is discretized using a 4-element mesh, an assembly of low-order, transition, and high-order elements. The transition element acts as an intermediate component that smoothly bridges the disparity in nodal density between coarse low-order and refined high-order regions, and thus effectively localizes the refinement influence. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4b</xref>, compared to uniform p-refinement, the local p-refinement approach demonstrates excellent performance while simultaneously reducing computational costs. The difference in CPU time between the element assembly with <italic>p</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x003D; <italic>p</italic><sub><italic>h</italic></sub>&#x2212;3 and the element assembly with uniform p-refinement is denoted as &#x0394;t<sub>CPU</sub>. <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4b</xref> additionally plots &#x0394;t<sub>CPU</sub> against the number of nodes per side of the high-order element. It is noteworthy that locally increasing the element order leads to growth in the condition number of the system matrix. However, our numerical experiments show that, for the same maximum order <italic>p</italic><sub><italic>h</italic></sub>, the condition number of the local p-refinement scheme remains on the same order of magnitude as that of the global uniform refinement scheme. The increase is primarily governed by the local maximum order <italic>p</italic><sub><italic>h</italic></sub>, rather than the order jump (<italic>p</italic><sub><italic>h</italic></sub><italic>&#x2212;p</italic><sub><italic>l</italic></sub>).</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) quadrilateral p-refinement; (<bold>b</bold>) central point deflection comparing local p-refinement and uniform p-refinement, where <italic>p</italic><sub><italic>h</italic></sub> and <italic>p</italic><sub><italic>l</italic></sub> represent the p-order of high-order and low-order elements</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-4.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4_1_2">
<label>4.1.2</label>
<title>Trilateral Elements</title>
<p>For modeling spherical or circular shells, the use of triangular elements offers a dual advantage in both geometric representation and computational efficiency. First, the triangular element naturally conforms to the rotational symmetry, which simplifies mesh generation; second, under a comparable total number of DOFs, the triangular element typically achieves a higher polynomial order, thereby promoting faster convergence relative to other element types.</p>
<p>The hierarchical trilateral elements with curved edges in two-dimensional domains are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>. The corresponding shape function matrix <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is defined as
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with the dimension of 1 &#x00D7; <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The corresponding shape functions for these geometric features are defined as shown in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>. Here, alongside M and N, Q is introduced, which represents the number of nodes on the trilateral element&#x2019;s 2nd edge. The Jacobi polynomials <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are employed to construct the hierarchical shape functions inside the HQEM element. The recursion formula of Jacobi polynomials is as follows
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>i</italic> is a nonnegative integer, <italic>&#x03B1;</italic> &#x003E; &#x2212;1, <italic>&#x03B2;</italic> &#x003E; &#x2212;1 and
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>A triangular element: (<bold>a</bold>) parametric domain, (<bold>b</bold>) geometric domain</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-5.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Shape function of trilateral element</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Geometries</th>
<th>Shape function</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>3 vertices</td>
<td><inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>3 edges</td>
<td><inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Face</td>
<td><inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The Jacobi polynomials are defined on [&#x2212;1, 1].</p>
<p>It is well known that the trilateral element is conveniently applied to modeling circular/spherical shells for facilitating mesh generation. A fully clamped elastic circular plate subjected to a uniform pressure is analyzed in this work, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6a</xref>. Due to symmetry, a quarter of the plate is modeled using either a single triangular element or a combination of quadrilateral and triangular elements, with all elements having 11 nodes per side. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6b</xref>, the results from the trilateral HQEM are in excellent agreement with both the analytical solution (Chia et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>]) and the reference numerical solution (Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-47">47</xref>]).</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Trilateral p-refinement; (<bold>b</bold>) normalized central deflection results for the clamped circular plate</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-6.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Discretization of Element Virtual Work through the HQEM</title>
<p>Assuming that the number of layers through the thickness of the laminated shell is <italic>nl</italic>, the element internal virtual work <italic>&#x03B4;W</italic><sub>int</sub> can be written as
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" 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>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x003A;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03F5;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represent the thickness coordinates on the upper and the lower surface of the <italic>p</italic>th layer. As shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eq. (31)</xref>, <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the weighted thickness coefficient of the <italic>p</italic>th layer, which serves to partition the through-thickness integration term and is obtained as
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>with the integer (<italic>k &#x002B; l</italic>) ranging from 0 to 2. The weighted thickness coefficients <italic>a</italic><sub>(<italic>k</italic>&#x002B;<italic>l</italic>)(<italic>p</italic>)</sub> defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">Eq. (32)</xref> are evaluated analytically for each layer. For shells with a single layer, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eq. (31)</xref> can be written as
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>12</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Gauss-Lobatto quadrature [<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>] is employed to evaluate integrals in the Hierarchical Quadrature Element Method (HQEM), with <italic>m</italic><sub><italic>g</italic></sub> and <italic>n</italic><sub><italic>g</italic></sub> integration points assigned along its two dimensions, respectively. The total nodal variable vector &#x03B4;<bold>d</bold> for an HQEM element with <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> nodes are defined as
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>the definition of &#x03B4;<bold>u</bold><sub><italic>i</italic></sub> can be referred to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref>. And then, the global nodal coordinate array <italic>&#x03B4;<bold>d</bold></italic> is reorganized into five <italic>n</italic> &#x00D7; 1 consolidated vectors: <italic>&#x03B4;</italic><bold>r</bold>1, <italic>&#x03B4;</italic><bold>r</bold>2, <italic>&#x03B4;</italic><bold>r</bold>3, <italic>&#x03B4;</italic><bold>&#x03B8;</bold>1, <italic>&#x03B4;</italic><bold>&#x03B8;</bold>2, each collecting the respective component from all <italic>n</italic> nodes. This restructuring enhances computational efficiency and facilitates subsequent interpolation processes.</p>
<p>The variation of strain measures at the (<italic>i</italic>, <italic>j</italic>) Gauss-Lobatto integration point can now be expressed as:
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>in which
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">A</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">A</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">A</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>At the integration point (<italic>i</italic>, <italic>j</italic>), the partial derivatives <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (for <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) are interpolated from the corresponding derivatives of the interpolation shape function <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which represent the partial derivatives along the two coordinate directions.</p>
<p>Application of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eqs. (33)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-35">(35)</xref>, the internal force <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>for a single layer, <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>12</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The external force <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>with
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">N</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>in which <bold>J</bold> is the Jacobian matrix, and <bold>|J|</bold> is the corresponding Jacobian determinant. The vector <bold>G</bold><sub>ext</sub> is determined primarily through the <bold>T</bold><sub><italic>ij</italic></sub> matrix, where the subscript pair (<italic>i</italic>, <italic>j</italic>) corresponds to the nodal point at which the external force is applied. This correspondence is implemented numerically by employing the Kronecker delta &#x03B4;<sub><italic>ij</italic></sub> in the assembly process. And then, <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is reformulated into the vector comprising five <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> sub-vectors that correspond to <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are area force and moment vector, <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> are line force and moment vector, <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are nodal force and moment vector; <bold>t</bold><sub>01</sub> and <bold>t</bold><sub>02</sub> represents the orthonormal basis in initial configuration; <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:msub><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:math></inline-formula>; the <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denote the weighting coefficients of the Gauss-Lobatto quadrature points along the two respective dimensions.</p>
</sec>
<sec id="s4_3">
<label>4.3</label>
<title>Tangent Stiffness Matrix</title>
<p>Suppose that <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>(<italic>i</italic>) and <bold>d</bold>(<italic>i</italic>) are the nodal residual force vector and the nodal displacement vector after the <italic>i</italic>-th iteration (respectively), with their increments denoted as &#x0394;<inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>(<italic>i</italic>) and &#x0394;<bold>d</bold>(<italic>i</italic>). For an equilibrium configuration, the incremental form of the residual force is defined as
<disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <bold>K</bold> represents the tangent stiffness matrix. The solution is considered convergent if both of the following inequality criteria are satisfied:
<disp-formula id="eqn-46"><label>(46)</label><mml:math id="mml-eqn-46" display="block"><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The tolerance parameter &#x03C4; is set to a small value, such as 1 &#x00D7; 10<sup>&#x2212;6</sup>. The global residual force vector <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is given by
<disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eq. (39)</xref>, where the internal stiffness matrix <bold>K</bold><sub>int</sub> can be obtained from the variation of internal force <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for a single layer, the inner stiffness matrix <bold>K</bold><sub>int</sub> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-49"><label>(49)</label><mml:math id="mml-eqn-49" 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:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">J</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>in which
<disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">=</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-52"><label>(52)</label><mml:math id="mml-eqn-52" display="block"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula><disp-formula id="eqn-53"><label>(53)</label><mml:math id="mml-eqn-53" display="block"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the partial derivatives of <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold">&#x039B;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> along the two coordinate directions at the integration point (<italic>i</italic>, <italic>j</italic>), and are obtained via interpolation of the corresponding shape function derivatives, <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> presents the flowchart of the simulation process, with several critical steps highlighted: Node sampling automatically distributes nodes based on inter-node distances while assigning identical numbers to nodes sharing coordinates (step 3); Stiffness matrices and force vectors are computed through <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eqs. (39)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-53">(53)</xref> (step 4); The nonlinear system in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-45">Eq. (45)</xref> is solved using either Newton-Raphson (<xref ref-type="sec" rid="s5_1">Sections 5.1</xref>&#x2013;<xref ref-type="sec" rid="s5_3">5.3</xref>) or arc-length methods (<xref ref-type="sec" rid="s5_4">Sections 5.4</xref>&#x2013;<xref ref-type="sec" rid="s5_7">5.7</xref>) (step 7); Solution accuracy is enhanced through local or global p-refinement (step 9); and final mode shapes or deformation patterns are visualized using integration nodes with Gauss-Lobatto quadrature, which provides numerical advantages over standard Gauss quadrature (step 10). The pseudocode for the key steps of element matrix assembly is provided in Algorithm 1. This procedure is applicable to both global and local p refinement, wherein the element stiffness matrix and internal force vector are computed through the weighting coefficients of the Gauss&#x2013;Lobatto quadrature points.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Flow chart of the simulation process by the HQEM</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-7.tif"/>
</fig>
<fig id="fig-18">
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-18.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Numerical Examples</title>
<sec id="s5_1">
<label>5.1</label>
<title>Cantilever Beam under a Tip Moment</title>
<p>This example analyzes a cantilever beam under a prescribed drilling rotation at its free end&#x2014;a classical benchmark for large deformation analysis. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref>, the material parameters are defined as follows: Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, length <italic>l</italic> &#x003D; 10, width <italic>w</italic> &#x003D; 1, and thickness <italic>h</italic> &#x003D; 0.1, and Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 1.2 &#x00D7; 10<sup>7</sup>. The beam is subjected to a line moment <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula> per unit length at its tip and is modeled using a single HQEM element. The load is applied incrementally in four steps. <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref> illustrates the initial and deformed configurations at each load step in the <bold>e</bold><sub>1</sub>&#x2013;<bold>e</bold><sub>3</sub> plane using a single HQEM element of 2 &#x00D7; 13 nodes. It&#x2019;s observed by Xiao and Zhong [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>], many beam formulations experience membrane locking and fail to accurately capture deformations when the beam bends into a semicircle. In contrast, the present method successfully forms a full circle in only 4 load steps, demonstrating its robustness in handling large load increments. With the tolerance parameter &#x03C4; set to 1 &#x00D7; 10<sup>&#x2212;6</sup>, <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref> summarizes the displacement components <italic>u</italic> at the free end for the last load step. By leveraging high-order approximation, HQEM inherently mitigates shear and membrane locking. As shown in <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>, the minimum number of nodes along the length needed for a full circular roll-up is 7. The results show that displacements converge as the number of integration nodes along the length increases, demonstrating that HQEM&#x2019;s high-order basis is crucial for accurately capturing the circular configuration. Furthermore, the HQEM results align closely with those from the weak-form quadrilateral element method (QEM) by Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], confirming that HQEM achieves quantitatively comparable accuracy and efficiency to QEM. It is also worth noting that while the final configuration from QEM exhibits a slight out-of-plane deviation <italic>u</italic><sub>2</sub>(QEM) &#x003D; 0.00001 along the e<sub>2</sub>-direction, the HQEM result shows virtually no deviation, with <italic>u</italic><sub>2</sub>(HQEM) &#x003D; 0.00000, further validating its superior numerical reliability.</p>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Roll-up of a cantilever beam</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-8.tif"/>
</fig><fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>Initial and deformed configurations of a cantilever beam subjected to an end moment</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-9.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>End displacement components of a cantilever beam rolled into a circle</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Mesh</th>
<th><italic>u</italic><sub>1</sub>(HQEM)</th>
<th><italic>u</italic><sub>1</sub>(QEM)</th>
<th><italic>u</italic><sub>2</sub>(HQEM)</th>
<th><italic>u</italic><sub>2</sub>(QEM)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">2</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>(HQEM)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">2</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>(QEM)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 7</td>
<td>10.36426</td>
<td>&#x2013;</td>
<td>0.00000</td>
<td>&#x2013;</td>
<td>6.23632</td>
<td>&#x2013;</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 8</td>
<td>9.95474</td>
<td>&#x2013;</td>
<td>0.00000</td>
<td>&#x2013;</td>
<td>6.31431</td>
<td>&#x2013;</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 9</td>
<td>9.99792</td>
<td>9.99481</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28893</td>
<td>6.28785</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 10</td>
<td>9.99016</td>
<td>9.99510</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28943</td>
<td>6.28728</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 11</td>
<td>9.99016</td>
<td>9.99343</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28940</td>
<td>6.28733</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 12</td>
<td>9.99012</td>
<td>9.99342</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28940</td>
<td>6.28733</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 13</td>
<td>9.99012</td>
<td>9.99341</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28940</td>
<td>6.28733</td>
</tr>
<tr>
<td>2 &#x00D7; 14</td>
<td>9.99012</td>
<td>9.99341</td>
<td>0.00000</td>
<td>0.00001</td>
<td>6.28940</td>
<td>6.28733</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s5_2">
<label>5.2</label>
<title>Ring Plate Loaded at Free Edge</title>
<p>In this section, a ring plate under a free-edge load is analyzed to assess the HQEM&#x2019;s capabilities in avoiding shear locking. It is acknowledged that low-order shape functions tend to artificially stiffen the element, resulting in severely underestimated displacements, a phenomenon known as shear locking. By leveraging high-order approximation, HQEM inherently mitigates shear and membrane locking. <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10a</xref> illustrates a ring plate that is clamped along its inner edge and subjected to a line force of <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mover><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> &#x003D; 6000 per unit length along the free outer edge. The geometric and material parameters are as follows: inner radius <italic>R</italic><sub>1</sub> &#x003D; 6, outer radius <italic>R</italic><sub>2</sub> &#x003D; 10, thickness <italic>h</italic> &#x003D; 0.03, Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 2.1 &#x00D7; 10<sup>11</sup>, and Poisson&#x2019;s ratio &#x03C5; &#x003D; 0. The plate is modeled using a single quadrilateral element with 14 &#x00D7; 7 nodes in the circumferential and radial directions, respectively. <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10b</xref> plots the vertical displacements at points A, B against the applied load, together with the final deformed configuration. The results from the present formulation show excellent agreement with those of B&#x00FC;echter and Ramm [<xref ref-type="bibr" rid="ref-50">50</xref>] obtained using a 16 &#x00D7; 2 mesh of 16-node degenerated shell elements, thereby validating the proposed model.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Ring plate loaded at free edge; (<bold>b</bold>) deflection&#x2013;load curves for a ring plate loaded at free edge</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-10.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_3">
<label>5.3</label>
<title>Pinched Hemispherical Shell with 18&#x00B0; Hole</title>
<p>This test is widely used to evaluate a formulation&#x2019;s capability in handling rigid body modes, inextensional bending, and membrane locking [<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>]. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11a</xref>, a hemispherical shell with an 18&#x00B0; polar cutout is subjected to alternating radial forces <italic>P</italic>. The structure, with radius <italic>R</italic> &#x003D; 10, thickness <italic>h</italic> &#x003D; 0.04, cutout angle <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> &#x003D; 18&#x00B0; is modeled using one quadrant due to symmetry. For isotropic case, the material parameters are Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 6.825 &#x00D7; 10<sup>7</sup>, and Poisson&#x2019;s ratio &#x03C5; &#x003D; 0.3. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11b</xref>, the radial displacements at points A and B under the applied load, obtained with a 12 &#x00D7; 12 nodes, agree excellently with the reference solution from B&#x00FC;echter and Ramm [<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>] based on 256 four-node assumed-strain elements. In addition to isotropic materials, two anisotropy laminate configurations are examined. The first is a [45&#x00B0;/0&#x00B0;<bold>/&#x2212;</bold>45&#x00B0;] laminate with uniformly thick layers. The second is a [30&#x00B0;/0&#x00B0;] laminate, where the 30&#x00B0; ply has a thickness of 0.75<italic>h</italic> and the 0&#x00B0; ply a thickness of 0.25<italic>h</italic>. For the anisotropic case, the material properties are: <italic>E</italic><sub>1</sub> &#x003D; 7 &#x00D7; 10<sup>7</sup>, <italic>E</italic><sub>2</sub> <italic>&#x003D; E</italic><sub>3</sub> &#x003D; 7 &#x00D7; 10<sup>6</sup>, <italic>G</italic><sub>12</sub> <italic>&#x003D; G</italic><sub>13</sub> &#x003D; 7 &#x00D7; 10<sup>7</sup>, <italic>G</italic><sub>23</sub> &#x003D; 1 &#x00D7; 10<sup>7</sup>, and &#x03C5;<sub>12</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>13</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>23</sub> &#x003D; 0.3. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11c</xref>, the results exhibit excellent agreement with those obtained by Abaqus S4 element (25 &#x00D7; 25 elements), confirming the accuracy of the present method in modeling nonlinear behavior for anisotropy laminated composite shells.</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Pinched hemispherical shell with 18&#x00B0; hole; (<bold>b</bold>) displacement&#x2013;load curves for pinched hemispherical shell; (<bold>c</bold>) deflection&#x2013;load curves for hemispherical laminate shell</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-11.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_4">
<label>5.4</label>
<title>Stretch and Compression of a Cylindrical Shell with Free Edge</title>
<p>This study investigates a free-ended cylindrical shell under opposing radial forces (tensile or compressive). This problem is a recognized benchmark in nonlinear shell analysis because its boundary conditions can induce hourglass modes with the use of reduced integration [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>]. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Figs. 12a</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13a</xref>, the shell has a length <italic>l</italic> &#x003D; 10.35, radius <italic>R</italic> &#x003D; 4.953, and thickness <italic>h</italic> &#x003D; 0.094, with a Young&#x2019;s modulus of <italic>E</italic> &#x003D; 10.5 &#x00D7; 10<sup>6</sup> and Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.3125. Leveraging symmetry, one-eighth of the shell is modeled. A single quadrilateral element with 10 &#x00D7; 17 nodes was used to analyze the stretching of this cylindrical shell. Under tensile loading (<italic>P</italic> from 0 to 40,000), <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12b</xref> plots the radial deflections at points A, B, and C. The response features two distinct regions separated by a snap-through buckling stage, characterized by one stable configuration to another. The spherical arc-length method was employed to trace this stiff response and capture the buckling behavior [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>] by adjusting load increments dynamically based on the current state. With a single quadrilateral element, a clear snap-through phenomenon is only observed when the number of nodes along the perimeter is at least 9 and along the radius is at least 5. Notably, the curves become significantly steeper in the post-buckling phase, indicating a sharp increase in structural stiffness. The results agree excellently with the numerical simulation obtained by Ota et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>]. For the compression case (<italic>P</italic> from 0 to 2900), the cylindrical shell was analyzed using a single quadrilateral element with 12 &#x00D7; 12 nodes. <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13b</xref> presents the load-deflection curves at points A and B; the response at point C closely follows that of point B and is omitted for clarity. The present results show excellent agreement with the reference solution of Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] obtained using the quadrilateral element method (QEM) with a 12 &#x00D7; 12 nodal configuration, demonstrating that the HQEM achieves quantitatively comparable accuracy to QEM. In addition, a 9-element mesh, consisting of low-order, transition, and high-order elements, discretizes one-eighth of the cylinder for the compression case (<italic>P</italic> &#x003D; 3000), as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13c</xref>. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13d</xref>, selecting a suitable local p-refinement strategy can achieve high accuracy and reduced computational cost relative to uniform p-refinement.</p>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Stretch of a cylindrical shell with free end; (<bold>b</bold>) deflection&#x2013;load curves of a cylindrical shell subjected to stretch</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-12.tif"/>
</fig><fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Compression of a cylindrical shell with free end; (<bold>b</bold>) deflection&#x2013;load curves of a cylindrical shell subjected to compression; (<bold>c</bold>) local p-refinement strategy discretizing one-eighth of the cylinder; (<bold>d</bold>) radial deflection of point A comparing local p-refinement and uniform p-refinement</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-13.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_5">
<label>5.5</label>
<title>Pinched Semi-Cylindrical Shells</title>
<p>This section analyzes a semi-cylindrical shell subjected to a pinching force at the midpoint of its free-hanging circumferential edge, which has been analyzed by various researchers [<xref ref-type="bibr" rid="ref-54">54</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-56">56</xref>]. The opposite edge is fully clamped, while both longitudinal edges are restrained in vertical deflection and rotation about the <bold>e</bold><sub>2</sub>-axis. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14a</xref>, the geometric properties are as follows: radius <italic>R</italic> &#x003D; 101.6, length <italic>l</italic> &#x003D; 304.8, thickness <italic>h</italic> &#x003D; 3. For the isotropic case, the material parameters are Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 2068.5, and Poisson&#x2019;s ratio &#x03C5; &#x003D; 0.3. For the anisotropy case, laminates with stacking sequences [0&#x00B0;/90&#x00B0;/0&#x00B0;] and [90&#x00B0;/0&#x00B0;/90&#x00B0;] are considered. The anisotropy material parameters are <italic>E</italic><sub>1</sub> &#x003D; 2068.5, <italic>E</italic><sub>2</sub> <italic>&#x003D; E</italic><sub>3</sub> &#x003D; 517.125, <italic>G</italic><sub>12</sub> <italic>&#x003D; G</italic><sub>13</sub> &#x003D; 795.6, <italic>G</italic><sub>23</sub> &#x003D; 198.894, &#x03C5;<sub>12</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>13</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>23</sub> &#x003D; 0.3 for the laminate case. In the laminated shell, all plies are equal in thickness. A ply is of 0&#x00B0; if its fibers are parallel to the longitudinal direction of the shell. In this work, this benchmark problem is simulated using a half-model exploiting symmetry and discretized with a 25 &#x00D7; 16 HQEM mesh. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14b</xref>, the present HQEM results at point A are in good agreement with the reference data from Sze et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-57">57</xref>], thus confirming the method&#x2019;s accuracy in modeling nonlinear behavior for both isotropic and laminated structures.</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) The semi-cylindrical shell subjected to an end pinching force; (<bold>b</bold>) load&#x2013;deflection curves of the semi-cylindrical shell subjected to end pinching force</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-14.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_6">
<label>5.6</label>
<title>Hinged Cylindrical Panel with Central Point Load</title>
<p>This example analyzes a hinged cylindrical panel under a central point load, a benchmark problem renowned for its complex snap-back behavior. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15a</xref>, the panel, defined by a central angle 2<inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.2 radians, length <italic>l</italic> &#x003D; 508, and radius <italic>R</italic> &#x003D; 2540. Due to symmetry, only one quadrant of the panel is modeled using a single quadrilateral HQEM element with 12 &#x00D7; 12 nodes, and two thicknesses are considered: <italic>h</italic> &#x003D; 12.7 and <italic>h</italic> &#x003D; 6.35. For the isotropic case, the material parameters are Young&#x2019;s modulus <italic>E</italic> &#x003D; 3102.75 and Poisson&#x2019;s ratio &#x03C5; &#x003D; 0.3. Besides isotropic materials, the [0&#x00B0;/90&#x00B0;/0&#x00B0;] laminate and [90&#x00B0;/0&#x00B0;/90&#x00B0;] laminate at two different thicknesses are considered. For the anisotropy case, the material parameters are <italic>E</italic><sub>1</sub> &#x003D; 3300, <italic>E</italic><sub>2</sub> <italic>&#x003D; E</italic><sub>3</sub> &#x003D; 1100, <italic>G</italic><sub>12</sub> <italic>&#x003D; G</italic><sub>13</sub> <italic>&#x003D; 660, G</italic><sub>23</sub> <italic>&#x003D; 440</italic>, &#x03C5;<sub>12</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>13</sub> &#x003D; &#x03C5;<sub>23</sub> &#x003D; 0.25. The cylindrical arc-length method is employed to trace the nonlinear load-displacement response at the center point [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>]. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15b</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-15">d</xref>, the results exhibit excellent agreement with those of Ota et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>], confirming the accuracy of the present method in capturing the snap-through response for both isotropic and laminated composite shells.</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Hinged cylindrical panel with central point load; (<bold>b</bold>) deflection&#x2013;load curves of isotropic case for <italic>h</italic> &#x003D; 12.7 and <italic>h</italic> &#x003D; 6.35; (<bold>c</bold>) deflection&#x2013;load curves of laminate case for <italic>h</italic> &#x003D; 12.7; (<bold>d</bold>) deflection&#x2013;load curves of laminate case for <italic>h</italic> &#x003D; 6.35</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-15.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5_7">
<label>5.7</label>
<title>Lateral Buckling of a Cantilever Right-Angle Frame</title>
<p>This section demonstrates the ability of the HQEM to predict critical loads and trace complex post-buckling paths by analyzing a right-angle cantilever frame under a concentrated tip load. This structure is prone to lateral buckling beyond a critical load and has been studied using both beam [<xref ref-type="bibr" rid="ref-58">58</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-60">60</xref>] and shell [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-61">61</xref>] theories. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Fig. 16a</xref>, the frame has dimensions of 240 in length, 30 in width, and 0.6 in height. Its Young&#x2019;s modulus is 71,240, and its Poisson&#x2019;s ratio is 0.31. In Case I, the concentrated load is directed outward in-plane along the <bold>e</bold><sub>3</sub> direction, while in Case II, it is directed inward. To trigger lateral buckling, a perturbation out-of-plane load <italic>P</italic><sub><italic>f</italic></sub> &#x003D; 0.0001 is applied. The load-displacement curves at points A and B, obtained with two 13 &#x00D7; 9 HQEM elements, are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Fig. 16b</xref>. Notably, for the inward loading case (Case II), the QEM [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] (modeled with 2 elements of 13 &#x00D7; 9 nodes) shows marked deviations from the reference results [<xref ref-type="bibr" rid="ref-62">62</xref>] (modeled with 44 9-node CAM elements [<xref ref-type="bibr" rid="ref-61">61</xref>]) at higher loads, and the latter account for drilling rotations and thickness-direction extensions. The maximum relative difference between the two methods is about 9.5%. In contrast, using the identical mesh (two 13 &#x00D7; 9 elements) as the QEM [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], the HQEM&#x2014;which only considers five variables&#x2014;maintains excellent agreement with results obtained by Smole&#x0144;ski [<xref ref-type="bibr" rid="ref-62">62</xref>] and Abaqus (120 &#x00D7; 8 &#x00D7; 1 C3D8I solid elements). The enhanced convergence performance of HQEM is attributed to its consistent use of a complete nodal representation for interpolation at integration points. In contrast, the QEM relies on a direction-dependent node selection strategy, which can introduce interpolation inconsistencies. This fundamental difference allows HQEM to more accurately capture the non-uniform deformation gradients and complex nonlinear behavior, thereby achieving better convergence performance. As a result, HQEM demonstrates superior capability in simulating nonlinear structural behavior. Additionally, <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17a</xref>,<xref ref-type="fig" rid="fig-17">b</xref> respectively depict the deformation geometries for Case I and Case II under the concentrated loads (<italic>P</italic> &#x003D; 8) by the HQEM (modeled with 2 elements of 13 &#x00D7; 9 nodes). The prediction of the deflection-load curve for a right-angled beam demonstrates that the proposed nonlinear HQEM enables accurate forecasting of buckling instability, which is crucial for the safe design of such structures.</p>
<fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Cantilever right-angle frame under tip load; (<bold>b</bold>) load&#x2013;displacement curves for right-angle frame under tip load obtained by HQEM</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-16.tif"/>
</fig><fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Deformed configurations of the right-angle cantilever under the tip load (P &#x003D; 8) for (<bold>a</bold>) Case I and (<bold>b</bold>) Case II</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_75706-fig-17.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Conclusions</title>
<p>This study presents a unified Hierarchical Quadrature Element Method (HQEM) formulation for the geometrically nonlinear analysis of both isotropic and laminated shells, marking the first implementation of HQEM in nonlinear shell analysis for composite shells. The key innovations and conclusions include: (1) a unified HQEM formulation for geometrically exact isotropic and laminated shells; (2) significant simplification of residual force and stiffness matrix computations; (3) inherent mitigation of shear and membrane locking; (4) convenient support for local p-refinement; (5) compared with the weak-form quadrilateral element (QEM) approach, accurate capture of nonlinear behavior under high loads; and (6) flexible mesh generation through the combination of quadrilateral and triangular elements.</p>
<p>Nevertheless, it is important to acknowledge certain limitations inherent to the current formulation. While classical shell theory remains widely used in engineering practice owing to its lower implementation complexity and computational cost, its exclusion of drilling rotations introduces fundamental limitations in modelling complex geometries, including: the challenges in applying conjugate drilling loads for moment equilibrium; rotational incompatibility at non-smooth shell junctions; and numerical instabilities when handling twisting moment transfer. Furthermore, the HQEM leverages high-order approximation to overcome the high computational costs and locking limitations of low-order elements, yet it introduces new challenges such as meshing difficulties for complex geometries and growth in the condition number, which may pose obstacles to practical application.</p>
<p>Notwithstanding these limitations, the present HQEM formulation establishes a general framework for geometrically exact shell analysis. Although the current formulations are applied to linear elastic laminates, the HQEM framework can be extended to accommodate more complex scenarios, such as those involving plasticity and functionally graded materials, by introducing appropriate inelastic material models. In particular, our subsequent work will focus on: (1) extending the method to the nonlinear analysis of shells incorporating drilling rotation and thickness stretch; (2) implementing inelastic material models for plasticity and functionally graded materials; and (3) undertaking the dynamic analysis of shell structures.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>None.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>This study is supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12472194, 12002018, 11972004, 11772031, 11402015).</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>The authors confirm contribution to the paper as follows: Conceptualization and methodology: Bo Liu; software and validation: Yingying Lan; writing&#x2014;original draft preparation: Yingying Lan; writing&#x2014;review and editing: Bo Liu. All authors reviewed and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability">
<title>Availability of Data and Materials</title>
<p>The authors confirm that the data supporting the findings of this study are available within the article.</p>
</sec>
<sec>
<title>Ethics Approval</title>
<p>Not applicable.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement">
<title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflicts of interest.</p>
</sec>
<glossary content-type="abbreviations" id="glossary-1">
<title>Nomenclature</title>
<def-list>
<def-item>
<term><italic>a</italic><sub>(<italic>k&#x002B;l</italic>)(<italic>p</italic>)</sub></term>
<def>
<p>Weighted thickness coefficient</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>d</bold></term>
<def>
<p>Total nodal variable vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>D</bold></term>
<def>
<p>Constitutive matrix</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Cartesian reference frame</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>E</italic></term>
<def>
<p>Young&#x2019;s modulus</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>F</bold></term>
<def>
<p>Deformation gradient</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>g</bold><sub><italic>i</italic></sub></term>
<def>
<p>Initial covariant frames</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>G</italic></term>
<def>
<p>Shear modulus</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>External force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>G</bold><sub><italic>i</italic></sub></term>
<def>
<p>Current covariant frames</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">G</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>int</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Internal force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Thickness of the shell</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Shape functions on the edges</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:msubsup><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Shape functions at four corners</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Shape function inside element domain</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Shape function matrix</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Projection parameter</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>J</bold></term>
<def>
<p>Jacobian matrix</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>|J|</bold></term>
<def>
<p>Jacobian determinant</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>K</bold></term>
<def>
<p>Tangent stiffness matrix</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>K</bold><sub>int</sub></term>
<def>
<p>Internal stiffness matrix</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>l</italic></term>
<def>
<p>Length</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:msubsup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Lagrange shape function</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>L</italic><sub>m</sub></term>
<def>
<p>Legendre polynomials</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Number of domain nodes along &#x03BE; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>m</italic><sub><italic>g</italic></sub></term>
<def>
<p>Gauss-Lobatto integration points number</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Nodal moment vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Area moment vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mover><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Line moment</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Line moment vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Number of edge nodes along &#x03BE; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Total number of HQEM nodes</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Number of domain nodes along &#x03B7; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>n</italic><sub><italic>g</italic></sub></term>
<def>
<p>Gauss-Lobatto integration points number</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>N</term>
<def>
<p>Number of edge nodes along &#x03B7; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>p-order of high-order elements</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>p-order of low-order elements</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>P</italic></term>
<def>
<p>Nodal force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Nodal force vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mover><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Line force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Area force vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">P</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Line force vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>P</italic><sub><italic>f</italic></sub></term>
<def>
<p>Perturbation out-of-plane load</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic><bold>P</bold></italic><sub><italic><bold>n</bold></italic></sub><sup><bold>(&#x03B1;&#x002B;&#x03B2;)</bold></sup></term>
<def>
<p>Jacobi polynomials</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold><italic>q</italic></bold></term>
<def>
<p>Current quaternion</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Conjugated quaternion</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Initial quaternion</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>Q</term>
<def>
<p>Number of nodes on trilateral element&#x2019;s 2nd edge</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>r</bold></term>
<def>
<p>Mid-surface position vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>r</bold><sub>0</sub></term>
<def>
<p>Initial mid-surface position vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>R</italic></term>
<def>
<p>Radius</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Residual force vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>s</bold></term>
<def>
<p>Stress</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>t</bold></term>
<def>
<p>Current unit director</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>&#x0394;t<sub>CPU</sub></term>
<def>
<p>Difference in CPU time</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>t</bold><sub>0</sub></term>
<def>
<p>Initial unit director</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Director orthogonal frame</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>t</bold><sub>0&#x03B1;</sub></term>
<def>
<p>Initial director orthogonal frame</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic><bold>u</bold></italic></term>
<def>
<p>Displacement</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>u</bold></term>
<def>
<p>Individual element nodal variable vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>w</italic></term>
<def>
<p>Width</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Weighting coefficients along &#x03BE; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Weighting coefficients along &#x03B7; direction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>W</italic><sub>int</sub></term>
<def>
<p>Internal virtual work</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>x</italic><sup>&#x1D6FC;</sup></term>
<def>
<p>Convected coordinates</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>&#x03B4;<sub><italic>ij</italic></sub></term>
<def>
<p>Kronecker delta</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Green&#x2013;Lagrangian strain tensor</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>&#x03B5;</italic><sub><italic>ij</italic></sub></term>
<def>
<p>Strain component</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>&#x03B7;</italic></term>
<def>
<p>2nd parametric variable</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Rotation vector</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Angle</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Rotation components</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>&#x039B;</bold></term>
<def>
<p>Rotation tensor</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><italic>&#x03BE;</italic></term>
<def>
<p>1st parametric variable</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>&#x03C4;</term>
<def>
<p>Tolerance parameter</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mi>&#x03C5;</mml:mi></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Poisson&#x2019;s ratio</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Current configurations</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></term>
<def>
<p>Initial configurations</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>&#x005E;</term>
<def>
<p>Skew symmetric tensor</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term>CPU</term>
<def>
<p>CPU time</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>ext</bold></term>
<def>
<p>External force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>g</bold></term>
<def>
<p>Gauss-Lobatto integration points</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>h</bold></term>
<def>
<p>High-order elements</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>int</bold></term>
<def>
<p>Internal force</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term><bold>l</bold></term>
<def>
<p>Low-order elements</p>
</def>
</def-item>
</def-list>
</glossary>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Palazotto</surname> <given-names>AN</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dennis</surname> <given-names>ST</given-names></string-name></person-group>. <source>Nonlinear analysis of shell structures</source>. <publisher-loc>Reston, FL, USA</publisher-loc>: <publisher-name>AIAA</publisher-name>; <year>1992</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rebel</surname> <given-names>G</given-names></string-name></person-group>. <source>Finite rotation shell theory including drill rotations and its finite element implementation</source>. <publisher-loc>Delft, The Netherland</publisher-loc>: <publisher-name>Delft University Press</publisher-name>; <year>1998</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Simo</surname> <given-names>JC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fox</surname> <given-names>DD</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On a stress resultant geometrically exact shell model. Part I: formulation and optimal parametrization</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1989</year>;<volume>72</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>267</fpage>&#x2013;<lpage>304</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7825(89)90002-9</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Naghdi</surname> <given-names>PM</given-names></string-name></person-group>. <chapter-title>The theory of shells and plates</chapter-title>. In: <person-group person-group-type="editor"><string-name><surname>Truesdell</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>, editors. <source>Linear theories of elasticity and thermoelasticity: linear and nonlinear theories of rods, plates, and shells</source>. <publisher-loc>Heidelberg, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>; <year>1973</year>. p. <fpage>425</fpage>&#x2013;<lpage>640</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-662-39776-3</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Simo</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fox</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rifai</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On a stress resultant geometrically exact shell model. Part II: the linear theory; computational aspects</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1989</year>;<volume>73</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>53</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7825(89)90098-4</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ibrahimbegovic</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Brank</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Courtois</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Stress resultant geometrically exact form of classical shell model and vector-like parameterization of constrained finite rotations</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2001</year>;<volume>52</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>1235</fpage>&#x2013;<lpage>52</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.247</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Q</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>, <string-name><surname>Peng</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On nonlocal geometrically exact shell theory and modeling fracture in shell structures</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>386</volume>:<fpage>114074</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2021.114074</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ma</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname> <given-names>T</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Phase-field model for ductile fracture in the stress resultant geometrically exact shell</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2024</year>;<volume>125</volume>(<issue>13</issue>):<fpage>e7462</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.7462</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhong</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Weak form quadrature element analysis of geometrically exact shells</article-title>. <source>Int J Non-Linear Mech</source>. <year>2015</year>;<volume>71</volume>:<fpage>63</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2015.01.010</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lavren&#x010D;i&#x010D;</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Brank</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Hybrid-mixed low-order finite elements for geometrically exact shell models: overview and comparison</article-title>. <source>Arch Comput Methods Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>28</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>3917</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11831-021-09537-2</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname> <given-names>M-G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lee</surname> <given-names>G-H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lee</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Koo</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Isogeometric analysis for geometrically exact shell elements using B&#x00E9;zier extraction of NURBS with assumed natural strain method</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2022</year>;<volume>172</volume>:<fpage>108846</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2021.108846</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Silva</surname> <given-names>LE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Burgos</surname> <given-names>RB</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Second-order two-cycle analysis of frames based on interpolation functions from the solution of the beam-column differential equation</article-title>. <source>REM-Int Eng J</source>. <year>2023</year>;<volume>76</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>139</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1590/0370-44672022760047</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Carrera</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Azzara</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Daneshkhah</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pagani</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Buckling and post-buckling of anisotropic flat panels subjected to axial and shear in-plane loadings accounting for classical and refined structural and nonlinear theories</article-title>. <source>Int J Non-Linear Mech</source>. <year>2021</year>;<volume>133</volume>:<fpage>103716</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2021.103716</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mallek</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jrad</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wali</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dammak</surname> <given-names>F</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Nonlinear dynamic analysis of piezoelectric-bonded FG-CNTR composite structures using an improved FSDT theory</article-title>. <source>Eng Comput</source>. <year>2021</year>;<volume>37</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>1389</fpage>&#x2013;<lpage>407</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00366-019-00891-1</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Peres</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gon&#x00E7;alves</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Camotim</surname> <given-names>D</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A geometrically exact beam finite element for curved thin-walled bars with deformable cross-section</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>381</volume>:<fpage>113804</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2021.113804</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Garcia-Contreras</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>C&#x00F3;rcoles</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ruiz-Cruz</surname> <given-names>JA</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Degeneracy-discriminating modal FEM computation in higher order rotationally symmetric waveguides</article-title>. <source>IEEE Trans Antennas Propag</source>. <year>2021</year>;<volume>69</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>8003</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAP.2021.3083790</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Nonlinear finite element based contact modeling for bolted joints in composite laminates</article-title>. In: <conf-name>Proceedings of the ASME 2021 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference; 2021 August 17&#x2013;19</conf-name>; <publisher-loc>Virtual, Online</publisher-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ibrahimbegovic</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mejia-Nava</surname> <given-names>RA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ljukovac</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Reduced model for fracture of geometrically exact planar beam: non-local variational formulation, ED-FEM approximation and operator split solution</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2024</year>;<volume>125</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>e7369</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.7369</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Breitenberger</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Apostolatos</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Philipp</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>W&#x00FC;chner</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bletzinger</surname> <given-names>K-U</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Analysis in computer aided design: nonlinear isogeometric B-Rep analysis of shell structures</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2015</year>;<volume>284</volume>:<fpage>401</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2014.09.033</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Structural damage identification via physics-guided machine learning: a methodology integrating pattern recognition with finite element model updating</article-title>. <source>Struct Health Monit</source>. <year>2021</year>;<volume>20</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1675</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1475921720927488</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gassler</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Afrasiabi</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bambach</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Efficient process simulation of metallic bipolar plate stamping using a GPU-accelerated one-step solver</article-title>. <source>J Manuf Process</source>. <year>2024</year>;<volume>131</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>2491</fpage>&#x2013;<lpage>504</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmapro.2024.09.118</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bartezzaghi</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cremonesi</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Parolini</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Perego</surname> <given-names>U</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An explicit dynamics GPU structural solver for thin shell finite elements</article-title>. <source>Comput Struct</source>. <year>2015</year>;<volume>154</volume>:<fpage>29</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruc.2015.03.005</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zienkiewicz</surname> <given-names>OC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gago</surname> <given-names>JDS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kelly</surname> <given-names>DW</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The hierarchical concept in finite element analysis</article-title>. <source>Comput Struct</source>. <year>1983</year>;<volume>16</volume>(<issue>1&#x2013;4</issue>):<fpage>53</fpage>&#x2013;<lpage>65</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7949(83)90147-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Phung-Van</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hung</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tangaramvong</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nguyen-Xuan</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Thai</surname> <given-names>CH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A novel Chebyshev-based both meshfree method and shear deformation theory for functionally graded triply periodic minimal surface flat plates</article-title>. <source>Comput Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>309</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>107660</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruc.2025.107660</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hung</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Thai</surname> <given-names>CH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Phung-Van</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A novel meshfree method for free vibration behavior of the functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plates using a new shear deformation theory</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2025</year>;<volume>189</volume>:<fpage>208</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.camwa.2025.04.023</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Huang</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qiu</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>A weak-form quadrature element method for modal analysis of electric motor stators</article-title>. <source>Mech Syst Signal Process</source>. <year>2025</year>;<volume>228</volume>:<fpage>112380</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ymssp.2025.112380</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mo</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yao</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A geometrically exact higher-order shell model for functionally graded materials and its weak form quadrature element formulation</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>214</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>113429</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2025.113429</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wiegold</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kurzeja</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Klinge</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mosler</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Non-linear thermo-mechanical modeling of hollow sphere shells using isogeometric analysis</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2025</year>;<volume>446</volume>:<fpage>118227</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2025.118227</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Guo</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hu</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hong</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wei</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Dynamic buckling analysis of variable stiffness composite cylindrical shells based on isogeometric analysis</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>217</volume>(<issue>10</issue>):<fpage>113749</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2025.113749</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Su</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Extended spectral element formulation for modeling the propagation of nonlinear ultrasonic waves produced by multiple cracks in solid media</article-title>. <source>Comput Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>307</volume>:<fpage>107639</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruc.2024.107639</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shukla</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zou</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chan</surname> <given-names>CH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pandey</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Karniadakis</surname> <given-names>GE</given-names></string-name></person-group>. <article-title>NeuroSEM: a hybrid framework for simulating multiphysics problems by coupling PINNs and spectral elements</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2025</year>;<volume>433</volume>:<fpage>117498</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2024.117498</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xing</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <source>A differential quadrature hierarchical finite element method</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name>; <year>2022</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Turan</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ertek</surname> <given-names>MK</given-names></string-name>, <string-name><surname>K&#x00F6;ktan</surname> <given-names>U</given-names></string-name>, <string-name><surname>Basoglu</surname> <given-names>MF</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Buckling response of porous orthotropic laminated plates subjected to non-uniform edge compressions: effect of orthotropic foundations</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>218</volume>:<fpage>114122</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2025.114122</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Turan</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zeren</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Karadeniz</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Basoglu</surname> <given-names>MF</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Analysis of higher-order shear deformable porous orthotropic laminated doubly-curved shallow shells subjected to non-uniformly distributed edge loadings: nonlinear post-buckling response</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2025</year>;<volume>217</volume>:<fpage>113878</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2025.113878</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>Liu</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xing</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ma</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A differential quadrature hierarchical finite element method and its applications to vibration and bending of Mindlin plates with curvilinear domains</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2017</year>;<volume>109</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>174</fpage>&#x2013;<lpage>97</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.5277</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>[36]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ahmed</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Abdelhamid</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ismail</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ahmed</surname> <given-names>F</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An differential quadrature finite element and the differential quadrature hierarchical finite element methods for the dynamics analysis of on board shaft</article-title>. <source>Eur J Comput Mech</source>. <year>2020</year>;<volume>29</volume>:<fpage>303</fpage>&#x2013;<lpage>44</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.13052/ejcm1779-7179.29461</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Furjan</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kolahchi</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yaylac&#x0131;</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>RFOR-DQHFEM: hybrid relaxed first-Order reliability and differential quadrature hierarchical finite element method for multi-physics reliability analysis of conical shells</article-title>. <source>Thin-Walled Struct</source>. <year>2024</year>;<volume>205</volume>:<fpage>112583</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tws.2024.112583</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>[38]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hu</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiang</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Integration of hierarchical quadrature element method with a minimum-increment remeshing strategy for simulating coupled thermo-mechanical fracture in quasi-brittle materials</article-title>. <source>Finite Elem Anal Des</source>. <year>2025</year>;<volume>251</volume>:<fpage>104434</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.finel.2025.104434</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luo</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiang</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A hierarchical quadrature element formulation for fracture parameter evaluation in thermoelastic crack problems</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2025</year>;<volume>126</volume>(<issue>18</issue>):<fpage>e70138</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.70138</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>[40]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>B&#x00FC;chter</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramm</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Roehl</surname> <given-names>D</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Three-dimensional extension of non-linear shell formulation based on the enhanced assumed strain concept</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>1994</year>;<volume>37</volume>(<issue>15</issue>):<fpage>2551</fpage>&#x2013;<lpage>68</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620371504</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>[41]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Simo</surname> <given-names>JC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fox</surname> <given-names>DD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rifai</surname> <given-names>MS</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On a stress resultant geometrically exact shell model. Part III: computational aspects of the nonlinear theory</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1990</year>;<volume>79</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>21</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7825(90)90094-3</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>[42]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Goldman</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <source>Rethinking quaternions: theory and computation</source>. <publisher-loc>Berkeley, CA, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Morgan &#x0026; Claypool</publisher-name>; <year>2010</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>[43]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zupan</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Saje</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zupan</surname> <given-names>D</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The quaternion-based three-dimensional beam theory</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2009</year>;<volume>198</volume>(<issue>49&#x2013;52</issue>):<fpage>3944</fpage>&#x2013;<lpage>56</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2009.09.002</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>[44]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chr&#x00F3;&#x015B;cielewski</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kreja</surname> <given-names>I</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sabik</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Witkowski</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Modeling of composite shells in 6-parameter nonlinear theory with drilling degree of freedom</article-title>. <source>Mech Adv Mater Struct</source>. <year>2011</year>;<volume>18</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>403</fpage>&#x2013;<lpage>19</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15376494.2010.524972</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>[45]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jeleni&#x0107;</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Crisfield</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Geometrically exact 3D beam theory: implementation of a strain-invariant finite element for statics and dynamics</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1999</year>;<volume>171</volume>(<issue>1&#x2013;2</issue>):<fpage>141</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7825(98)00249-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>[46]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chia</surname> <given-names>CY</given-names></string-name></person-group>. <source>Nonlinear analysis of plates</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill International Book Co.</publisher-name>; <year>1980</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-47"><label>[47]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chalal</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Abed-Meraim</surname> <given-names>F</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Linear and quadratic solid-shell elements for quasi-static and dynamic simulations of thin 3D structures: application to a deep drawing process</article-title>. <source>J Mech Eng</source>. <year>2017</year>;<volume>63</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>25</fpage>&#x2013;<lpage>34</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.5545/sv-jme.2016.3526</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-48"><label>[48]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Davis</surname> <given-names>PJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rabinowitz</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <source>Methods of numerical integration</source>. <publisher-loc>Mineola, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Courier Corporation</publisher-name>; <year>2007</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-49"><label>[49]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xiao</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhong</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Non-linear quadrature element analysis of planar frames based on geometrically exact beam theory</article-title>. <source>Int J Non-Linear Mech</source>. <year>2012</year>;<volume>47</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>481</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijnonlinmec.2011.09.021</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-50"><label>[50]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Buechter</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramm</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Shell theory versus degeneration&#x2014;a comparison in large rotation finite element analysis</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>1992</year>;<volume>34</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>39</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620340105</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-51"><label>[51]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sansour</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kollmann</surname> <given-names>F</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Families of 4-node and 9-node finite elements for a finite deformation shell theory. An assesment of hybrid stress, hybrid strain and enhanced strain elements</article-title>. <source>Comput Mech</source>. <year>2000</year>;<volume>24</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>435</fpage>&#x2013;<lpage>47</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s004660050003</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-52"><label>[52]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kadapa</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A simple extrapolated predictor for overcoming the starting and tracking issues in the arc-length method for nonlinear structural mechanics</article-title>. <source>Eng Struct</source>. <year>2021</year>;<volume>234</volume>:<fpage>111755</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2020.111755</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-53"><label>[53]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ota</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wilson</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Neto</surname> <given-names>AG</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pellegrino</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pimenta</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Nonlinear dynamic analysis of creased shells</article-title>. <source>Finite Elem Anal Des</source>. <year>2016</year>;<volume>121</volume>:<fpage>64</fpage>&#x2013;<lpage>74</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.finel.2016.07.008</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-54"><label>[54]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sansour</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bufler</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An exact finite rotation shell theory, its mixed variational formulation and its finite element implementation</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>1992</year>;<volume>34</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>73</fpage>&#x2013;<lpage>115</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620340107</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-55"><label>[55]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>El-Abbasi</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Meguid</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A new shell element accounting for through-thickness deformation</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2000</year>;<volume>189</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>841</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7825(99)00348-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-56"><label>[56]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sze</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chan</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pian</surname> <given-names>T</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An eight-node hybrid-stress solid-shell element for geometric non-linear analysis of elastic shells</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>2002</year>;<volume>55</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>853</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.535</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-57"><label>[57]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sze</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lo</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Popular benchmark problems for geometric nonlinear analysis of shells</article-title>. <source>Finite Elem Anal Des</source>. <year>2004</year>;<volume>40</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>1551</fpage>&#x2013;<lpage>69</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.finel.2003.11.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-58"><label>[58]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Simo</surname> <given-names>JC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vu-Quoc</surname> <given-names>L</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A three-dimensional finite-strain rod model. Part II: computational aspects</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1986</year>;<volume>58</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>79</fpage>&#x2013;<lpage>116</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0045-7825(86)90079-4</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-59"><label>[59]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>De Souza</surname> <given-names>RM</given-names></string-name></person-group>. <source>Force-based finite element for large displacement inelastic analysis of frames</source>. <publisher-loc>Berkeley, CA, USA</publisher-loc>: <publisher-name>University of California</publisher-name>; <year>2000</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-60"><label>[60]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zupan</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Saje</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Finite-element formulation of geometrically exact three-dimensional beam theories based on interpolation of strain measures</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>2003</year>;<volume>192</volume>(<issue>49&#x2013;50</issue>):<fpage>5209</fpage>&#x2013;<lpage>48</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2003.07.008</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-61"><label>[61]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chr&#x00F3;&#x015B;cielewski</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Makowski</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Stumpf</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Genuinely resultant shell finite elements accounting for geometric and material non-linearity</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source>. <year>1992</year>;<volume>35</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>63</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620350105</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-62"><label>[62]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Smole&#x0144;ski</surname> <given-names>WM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Statically and kinematically exact nonlinear theory of rods and its numerical verification</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source>. <year>1999</year>;<volume>178</volume>(<issue>1&#x2013;2</issue>):<fpage>89</fpage>&#x2013;<lpage>113</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7825(99)00006-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>