<?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">80567</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2026.080567</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Finite Element Analysis of the Electromagnetics of Continuum</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Finite Element Analysis of the Electromagnetics of Continuum</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Finite Element Analysis of the Electromagnetics of Continuum</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Song</surname><given-names>Shuaiqi</given-names></name></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Zhang</surname><given-names>Lijie Grace</given-names></name></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Lee</surname><given-names>James D.</given-names></name><email>jdlee.@gwu.edu</email></contrib>
<aff id="aff-1"><institution>Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University</institution>, <addr-line>Washington, DC</addr-line>, <country>USA</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: James D. Lee. Email: <email>jdlee.@gwu.edu</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>30</day><month>06</month><year>2026</year>
</pub-date>
<volume>147</volume>
<issue>3</issue>
<elocation-id>5</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>12</day>
<month>02</month>
<year>2026</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>04</month>
<year>2026</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2026 The Authors. Published by Tech Science Press.</copyright-statement>
<copyright-year>2026</copyright-year>
<copyright-holder>The Authors</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_80567.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>The theory of thermomechanical-electromagnetic coupling was constructed. The finite element analysis of thermo-visco-elastic-plastic-electromagnetic continuum was formulated. Then the problem of wave propagation in this continuum was solved in two stages. In Stage I, a nearly static thermomechanical solution of a hollow cylinder, subject to twist and temperature gradient, was obtained. Then, in Stage II, the problem of wave propagation of scalar and vector potentials, due to deformation and temperature gradient, was solved. In the second approach, in Stage I, the static electric field and static magnetic field are obtained through static scalar and vector potentials, then in Stage II, the dynamic solutions of temperature, plastic strains, von Mises stress, and current were solved.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Electromagnetics of continuum</kwd>
<kwd>finite element formulation</kwd>
<kwd>constitutive theory</kwd>
<kwd>thermo-visco-elastic-plastic-electromagnetic material</kwd>
<kwd>geometrically nonlinear</kwd>
<kwd>scalar and vector potentials</kwd>
</kwd-group></article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Electromagnetics of Continuum is defined as a branch of the physical sciences concerned with the interaction of electromagnetic fields with a deformable body. The ultimate goal of this work is to formulate the finite element equations for an electromagnetic continuum. To begin with, notice that the balance laws of electromagnetics continuum consist of two parts: the thermomechanical (TM) part and the electromagnetic (EM) part. The work can be applied to more complex substances, so it can be utilized to treat electrodynamic-related composite materials. Incorporating the coupling between thermomechanics and electromagnetics into a unified theory can further enhance understanding and prediction of large classes of physical phenomena and provide many technological applications. Phenomenologically important cross effects, such as Peltier, Seebeck, Hall, Ettingshausen, Righi-Leduc, and Nernst effects, can now be studied theoretically and numerically.</p>
<p>The electromagnetic (EM) balance laws, i.e., the famous Maxwell&#x2019;s equations, are introduced. We also introduce the Lorentz Transformation of <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> fields in relativistic electromagnetic theory [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>], as well as in its special case, non-relativistic electromagnetic theory.</p>
<p>Then the Eulerian description of the basic laws of continuum theory, i.e., <italic>Conservation of Mass</italic>, <italic>Balance of Linear Momentum, Balance of Angular Momentum, Conservation of Energy,</italic> and <italic>Entropy Principle</italic>, is introduced. Also included in these basic laws are the electromagnetic (EM) part of the body force, body moment, and energy source [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. It is emphasized that this inclusion establishes the link between the thermomechanical part (TM) and the electromagnetic part (EM) of the electrodynamics of continuum.</p>
<p>Then we formulated the constitutive theory for thermo-visco-elastic-plastic-electromagnetic (TVEP-TM) materials. The formulation of constitutive theory, including plasticity, is unique in the sense that one needs to add a set of internal variables to the list of independent constitutive variables and, of course, one needs to supply a set of governing equations for the newly added internal variables [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]. Following that, we specialized the materially linear constitutive equations. It is emphasized that this work is based on <italic>geometrically nonlinear</italic>, or say large-strain, approaches. <italic>Onsager&#x2019;s postulate</italic> is utilized for the derivation of viscosity. <italic>Return-Mapping-Algorithm</italic> is invoked for plasticity.</p>
<p>It is a well-known physical fact that the electric field <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetic flux <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not independent from each other, nor are the dielectric displacement <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetic field <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To resolve this problem, especially for the finite element formulation, the scalar potential <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the vector potential <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are introduced [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>], which are related to the electric field <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and magnetic flux <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="ueqn-1"><mml:math id="mml-ueqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Eventually, the governing equations for <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, not <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are obtained in <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>.</p>
<p>For the finite element formulation, we link the displacement <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, temperature <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, scalar potential <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and vector potential <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at a generic point in a finite element to the corresponding nodal values associated with that finite element. Finally, the finite element equations for <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are obtained. It is proposed to solve a torsion problem of a cylinder in two approaches, each of which has two stages. The results will show the coupling between electromagnetics and thermomechanics.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Maxwell&#x2019;s Equations</title>
<p>The balance laws of electromagnetics of continuum consist of two parts: the thermomechanical (TM) part and the electromagnetic (EM) part. The EM balance laws are the well-known Maxwell&#x2019;s equations that can be expressed in the Heaviside-Lorentz system [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>] as
<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="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" 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="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the dielectric displacement vector, <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the magnetic induction vector, <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the electric field vector, <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the magnetic field vector, <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the total current vector, and <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> the free charge density.</p>
<p>Define the polarization vector <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetization vector <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is noticed that the quantities <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are all referred to a fixed laboratory frame <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. On the other hand, <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are referred to a co-moving reference frame <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>In relativistic electromagnetic theory, the Lorentz Transformation of <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> fields can be expressed as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>]
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the velocity of the co-moving frame <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> relative to the fixed laboratory frame <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the speed of light in vacuum. Jackson also explained that the inverse can be found by interchanging the star and the no-star quantities and by changing <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.,
<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:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Recall that <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the Taylor series expansion of <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> about <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is obtained as
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Let&#x2019;s keep the Taylor series at most to <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Then, for non-relativistic electromagnetic theory, we have
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></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: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:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Also, it is noticed that Eringen [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>] gave a detailed discussion and derivation, and showed that
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:msup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Balance Laws of Continuum Theory</title>
<p>The Eulerian description of the basic laws of continuum theory can be expressed as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>]:</p>
<p><italic>Conservation of Mass</italic>
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>Balance of Linear Momentum</italic>
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>Balance of Angular Momentum</italic>
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>Conservation of Energy</italic>
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>Entropy Principle (Second Law of Thermodynamics)</italic>
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mi>W</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the mass density, Cauchy stress, internal energy density, heat flux, entropy density, absolute temperature, velocity, body force (TM), body force (EM), body moment (EM), energy source (TM), and energy source (EM), respectively.</p>
<p>The EM part of the body force, body moment, and energy source are given as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]:<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Notice that, if <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a function of the Eulerian coordinate <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and time <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Let the Helmholtz free energy density in this work be defined as
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Notice that this expression of Helmholtz free energy density is different from that in classical continuum mechanics, i.e., the inclusion of <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. However, the expression of Helmholtz free energy density is the same as that in micromorphic theory [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>]. In other words, the expression of the Helmholtz free energy density is hinged on whether the work has thermomechanical and electromagnetic coupling. Classical continuum mechanics and microcontinuum theory [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>] (including micromorphic theory) are two completely different theories, and yet they have many essentials and fundamental principles in common. Therefore, in order to reduce overlap, interested readers are recommended to read [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>].</p>
<p>Then one obtains the Lagrangian description of the law of conservation of energy and the Clausius-Duhem (CD) inequality as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" 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:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where the mechanical part of the Cauchy stress, <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is defined as
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>And the electromagnetic part of the Cauchy stress, <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is defined as
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now one may verify that
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">&#x21D0;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;Eq</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">&#x21D0;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;Eq</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>which implies the symmetry of the mechanical part of the Cauchy stress tensor, i.e.,
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Notice that <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. If there is no coupling with electromagnetics, i.e., <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, then one has
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Constitutive Equations</title>
<p>In this section, we are going to formulate the constitutive theory for thermo-visco-elastic-plastic-electromagnetic (TVEP-TM) materials. The formulation of constitutive theory, including plasticity, is unique in the sense that one needs to add a set of internal variables to the list of independent constitutive variables and, of course, one needs to supply a set of governing equations for the newly added internal variables [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>]. For the electrodynamics of a continuum, a set of internal variables is introduced as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the plastic strain corresponding to the Lagrangian strain <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined as
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</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:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>And <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, named as the hardening parameters, is a generalized vector of internal variables.</p>
<p>Now, let the formulation of the constitutive theory for the TVEP-EM materials begin with
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" 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="bold">Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" 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="bold">Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The definitions of <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are given as
<disp-formula id="ueqn-40"><mml:math id="mml-ueqn-40" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-42"><mml:math id="mml-ueqn-42" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Following the same procedures in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], a scalar-valued yield function is defined as
<disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For a set of fixed values of <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a hyper surface, named the yield surface, is determined by
<disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Define the loading rate <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the scalar product between the outward normal to the yield surface and the tangent vector to the trajectory of <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.,
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Three distinct cases, unloading, neutral loading, and loading, are defined as: (a) <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, (b) <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and (c) <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively. The internal variables of plasticity <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will remain unchanged in the cases of unloading and neutral loading. The governing equations for the internal variables of plasticity <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are proposed to be
<disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>or</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mspace width="1em" /></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>and</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now we substitute <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-36">Eqs. (36)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-42">(42)</xref> into the Clausius-Duhem inequality, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref>. It leads to
<disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">{</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since this inequality is linear in <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, it leads to
<disp-formula id="eqn-46"><label>(46)</label><mml:math id="mml-eqn-46" 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>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" 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>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<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:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where the superscript <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to the dissipative part and superscript <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula> refers to the elastic part, or say, the reversible part. Since the inequality, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-51">Eq. (51)</xref>, must be satisfied for any value of the loading rate <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, it implies
<disp-formula id="eqn-52"><label>(52)</label><mml:math id="mml-eqn-52" 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:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-53"><label>(53)</label><mml:math id="mml-eqn-53" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Also, it should be emphasized that, in the case of loading, a TVEP-EM state leads to another TVEP-EM state. In other words, the consistency condition of plasticity requires that <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> lead to another state with <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]. Therefore, in the case of loading, we have <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, i.e.,
<disp-formula id="eqn-54"><label>(54)</label><mml:math id="mml-eqn-54" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>This gives another constitutive constraint to the plasticity
<disp-formula id="eqn-55"><label>(55)</label><mml:math id="mml-eqn-55" display="block"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Linear Constitutive Equations</title>
<p>For TVEP-EM solid, define the potential energy density function <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-56"><label>(56)</label><mml:math id="mml-eqn-56" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Following the idea of Green and Naghdi [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>], and assuming the hardening parameters <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not appear in the potential energy density function, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-56">Eq. (56)</xref> can now be written as
<disp-formula id="eqn-57"><label>(57)</label><mml:math id="mml-eqn-57" display="block"><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</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:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><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:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>&#x2212;</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:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</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:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the reference temperature and <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the temperature variation, and
<disp-formula id="eqn-58"><label>(58)</label><mml:math id="mml-eqn-58" display="block"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;&#x003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>From now on, we assume that the material is isotropic. Therefore, all the odd-order material property tensors are vanishing. Then it is straightforward to obtain
<disp-formula id="eqn-59"><label>(59)</label><mml:math id="mml-eqn-59" 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:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-60"><label>(60)</label><mml:math id="mml-eqn-60" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-61"><label>(61)</label><mml:math id="mml-eqn-61" 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>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-62"><label>(62)</label><mml:math id="mml-eqn-62" 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>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Moreover, the 2nd order and 4th order material property tensors are made of a few material constants, i.e.,
<disp-formula id="eqn-63"><label>(63)</label><mml:math id="mml-eqn-63" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold><italic>Onsager&#x2019;s Postulate</italic></bold></p>
<p>Now we follow Onsager&#x2019;s Postulate and construct a potential of dissipation quadratic as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>]
<disp-formula id="eqn-64"><label>(64)</label><mml:math id="mml-eqn-64" display="block"><mml:mi>D</mml:mi><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:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are the thermodynamic forces. Correspondingly, the thermodynamic fluxes <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> can be obtained as
<disp-formula id="eqn-65"><label>(65)</label><mml:math id="mml-eqn-65" 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>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-66"><label>(66)</label><mml:math id="mml-eqn-66" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-67"><label>(67)</label><mml:math id="mml-eqn-67" 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>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>One may verify that the CD inequality <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x003A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is now reduced to <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is precisely what the Onsager&#x2019;s Postulate means.</p>
<p><bold><italic>Return Mapping Algorithm for Plasticity</italic></bold></p>
<p>Notice that <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Now, let the hardening parameters <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be decomposed into two parts: the vector part <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which has the same dimension as <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a scalar part <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We propose a yield function as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-68"><label>(68)</label><mml:math id="mml-eqn-68" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are material constants. Following the same procedures in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], let the evolution equations for the plastic strain tensor and the hardening parameters be
<disp-formula id="eqn-69"><label>(69)</label><mml:math id="mml-eqn-69" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mspace width=".5em" /><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-70"><label>(70)</label><mml:math id="mml-eqn-70" display="block"><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><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:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The trial value of the yield function at <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, based on elastic prediction, is calculated as
<disp-formula id="eqn-71"><label>(71)</label><mml:math id="mml-eqn-71" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>If <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which means the elastic prediction is correct, then the plastic strain and hardening parameters at <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> maintain their values at <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, i.e.,
<disp-formula id="eqn-72"><label>(72)</label><mml:math id="mml-eqn-72" display="block"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is worthwhile to mention that, in this case, i.e., <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, one has <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>If <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which means the elastic prediction is incorrect, then the values of plastic strain and hardening parameters at <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> should be updated as follows:<disp-formula id="eqn-73"><label>(73)</label><mml:math id="mml-eqn-73" 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:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-74"><label>(74)</label><mml:math id="mml-eqn-74" 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 mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-75"><label>(75)</label><mml:math id="mml-eqn-75" 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>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-76"><label>(76)</label><mml:math id="mml-eqn-76" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now, one can prove that the yield function is based on the updated <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> returns to zero [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>] i.e.,
<disp-formula id="eqn-77"><label>(77)</label><mml:math id="mml-eqn-77" display="block"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-60">Eqs. (60)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-62">(62)</xref>, it is noticed that the elastic parts of the stresses, <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> depend on the elastic strains, not the total strains. Using the <italic>Return Mapping Algorithm</italic>, one may find the plastic strains exactly, and once the total strains are found, usually through finite element analysis (to be discussed later), then immediately elastic strains and elastic parts of the stresses as well are obtained. Also, it is seen that the <italic>Return Mapping Algorithm</italic> is strain-based, not stress-based. Because in this formulation the stresses have two parts: elastic parts and dissipative parts, which depend on strain rates. A strain-based <italic>Return Mapping Algorithm</italic> works independently of strain rates.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Scalar and Vector Potentials</title>
<p>It is a well-known physical fact that the electric field <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetic flux <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not independent from each other, nor are the dielectric displacement <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetic field <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Mathematically, this is noticed from Maxwell&#x2019;s equations, especially, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eqs. (2)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">(4)</xref>. To resolve this problem, especially in the finite element formulation presented in the next section, let&#x2019;s introduce the scalar potential <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the vector potential <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which are related to the electric field <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and magnetic flux <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-78"><label>(78)</label><mml:math id="mml-eqn-78" 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="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-79"><label>(79)</label><mml:math id="mml-eqn-79" 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="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now we follow the same pattern as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-61">Eqs. (61)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-62">(62)</xref>, and write the polarization <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, magnetization <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and current <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-80"><label>(80)</label><mml:math id="mml-eqn-80" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now the dielectric displacement vector <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the magnetic field vector <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as
<disp-formula id="eqn-81"><label>(81)</label><mml:math id="mml-eqn-81" display="block"><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-82"><label>(82)</label><mml:math id="mml-eqn-82" display="block"><mml:mtable columnalign="left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Admittedly, the introduction of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-80">Eqs. (80)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-82">(82)</xref> involve approximations. Without making these approximations, it is difficult, if not impossible, to derive the governing equations for the scalar potential <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and vector potential <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-78">Eqs. (78)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-79">(79)</xref> into Maxwell&#x2019;s equations leads to
<disp-formula id="eqn-83"><label>(83)</label><mml:math id="mml-eqn-83" 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:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-84"><label>(84)</label><mml:math id="mml-eqn-84" 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="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-85"><label>(85)</label><mml:math id="mml-eqn-85" 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="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-86"><label>(86)</label><mml:math id="mml-eqn-86" 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:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is seen that two of the four Maxwell&#x2019;s equations, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-84">Eqs. (84)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-85">(85)</xref>, are identically satisfied; the other two equations, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-83">Eqs. (83)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-86">(86)</xref> can be rewritten as
<disp-formula id="eqn-87"><label>(87)</label><mml:math id="mml-eqn-87" 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>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-88"><label>(88)</label><mml:math id="mml-eqn-88" 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:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Following the same procedures in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], the Lorentz condition is obtained as
<disp-formula id="eqn-89"><label>(89)</label><mml:math id="mml-eqn-89" display="block"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting the Lorentz condition into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-83">Eqs. (83)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-86">(86)</xref> results
<disp-formula id="eqn-90"><label>(90)</label><mml:math id="mml-eqn-90" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-91"><label>(91)</label><mml:math id="mml-eqn-91" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>In other words, Maxwell&#x2019;s equations are reduced to
<disp-formula id="eqn-92"><label>(92)</label><mml:math id="mml-eqn-92" 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>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-93"><label>(93)</label><mml:math id="mml-eqn-93" 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>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>This means the Maxwell&#x2019;s equations become two wave equations with forcing terms, and the speed of wave propagation is equal to
<disp-formula id="eqn-94"><label>(94)</label><mml:math id="mml-eqn-94" display="block"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since both the material constants <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are positive and greater than one, therefore <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-94">Eq. (94)</xref> says the speed of EM wave propagation in a material is lower than that in vacuum or in air.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<label>7</label>
<title>Finite Element Formulation</title>
<p>Since the mechanical parts of the Lagrangian stress tensor and the Eulerian stress tensor are related as
<disp-formula id="eqn-95"><label>(95)</label><mml:math id="mml-eqn-95" display="block"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>One may verify that the balance law of linear momentum, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-19">Eq. (19)</xref>, can be rewritten as
<disp-formula id="eqn-96"><label>(96)</label><mml:math id="mml-eqn-96" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>The law of conservation of energy can be written as [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-97"><label>(97)</label><mml:math id="mml-eqn-97" display="block"><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Based on the constitutive equations, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-59">Eqs. (59)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-62">(62)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-65">(65)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-67">(67)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-97">(97)</xref> can be further derived to be [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-98"><label>(98)</label><mml:math id="mml-eqn-98" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Recall the governing equations of the scalar potential <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the vector potential <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-99"><label>(99)</label><mml:math id="mml-eqn-99" display="block"><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-100"><label>(100)</label><mml:math id="mml-eqn-100" display="block"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We now link the displacement, temperature, scalar potential, and vector potential at a generic point in an element to the corresponding nodal values associated with this element as follows:<disp-formula id="eqn-101"><label>(101)</label><mml:math id="mml-eqn-101" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><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:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the 8 shape functions for a standard 8-node 3D element. The finite element equations are obtained as (for detailed derivation, see <xref ref-type="app" rid="app-1">Appendix A</xref>)
<disp-formula id="eqn-102"><label>(102)</label><mml:math id="mml-eqn-102" 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>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-103"><label>(103)</label><mml:math id="mml-eqn-103" 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>&#x03B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-104"><label>(104)</label><mml:math id="mml-eqn-104" 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>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-105"><label>(105)</label><mml:math id="mml-eqn-105" 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>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-106"><label>(106)</label><mml:math id="mml-eqn-106" 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>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-107"><label>(107)</label><mml:math id="mml-eqn-107" 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>&#x03B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-108"><label>(108)</label><mml:math id="mml-eqn-108" 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>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-109"><label>(109)</label><mml:math id="mml-eqn-109" 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>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are defined in <xref ref-type="app" rid="app-1">Appendix A</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<label>8</label>
<title>Torsion Problem</title>
<p>It is noticed that (a) <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eq. (96)</xref> is mainly a governing equation for displacement <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and it is a wave equation, (b) <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">Eq. (98)</xref> is mainly a governing equation for temperature <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and it is a diffusion equation, (c) <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-99">Eq. (99)</xref> is a wave equation for scalar potential <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, (d) <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-100">Eq. (100)</xref> is a wave equation for the vector potential <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Of course, all those differential equations have forcing terms that make <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coupled together&#x2014;that is why it is coined with the name thermomechanical&#x2013;electromagnetic coupling.</p>
<p>However, we also noticed that the wave speed for the scalar potential <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the vector potential <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equal to <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> which, for most materials, is at the same order as the speed of light; and yet the wave speed for the displacement is just the speed for an acoustic wave in the material; the speed involved in the diffusion equation is related to the thermal conductivity. Therefore, we consider solving the four differential equations, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-100">(100)</xref>, simultaneously, is numerically difficult (if not impossible) and physically meaningless. We propose to solve this problem in two stages.</p>
<p>In this work, we are using the MKS system, i.e., meter, kilogram, and second are the units for length, mass, and time, respectively. Also, let the units of temperature and electric charge <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:msup><mml:mi>be</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. In the Heavisine-Lorentz system, the dimensions of the electric field and the magnetic field are <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The numerical values of the material constants are specified as
<disp-formula id="eqn-110"><label>(110)</label><mml:math id="mml-eqn-110" display="block"><mml:mtable columnalign="left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.002</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4.5</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mover><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.0225</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.0075</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10000</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.4</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>400000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>300</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold><italic>Numerical Results of the Torsion Problem</italic></bold></p>
<p>Let the specimen be a hollow cylinder occupying
<disp-formula id="eqn-111"><label>(111)</label><mml:math id="mml-eqn-111" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn>1.0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2.0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>Z</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The finite element mesh has 2520 nodes and 1920 8-node solid elements. In Stage I, each node has 4 unknowns (three for <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and one for <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>), this sample problem has 10,080 degrees of freedom. Here, Heun&#x2019;s method is employed to solve <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref>, which are one wave equation and one diffusion equation. This work consists of two approaches, each of which has two stages.</p>
<p><bold><italic>First Approach</italic></bold></p>
<p>To ensure numerical stability, the time step <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> cannot be too large. For this sample problem, in Stage I, we use <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.004</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and have verified that such <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> not only provides stability but also accuracy.</p>
<p>The boundary conditions are specified as:<list list-type="simple">
<list-item>
<label>(I)</label>
<p>At the top surface, <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-112"><label>(112)</label><mml:math id="mml-eqn-112" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3.0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5.0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.25</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
<disp-formula id="eqn-113"><label>(113)</label><mml:math id="mml-eqn-113" display="block"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>This means all the nodes on the top surface are rotated by <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mn>45</mml:mn></mml:math></inline-formula><sup>&#x25CB;</sup> counterclockwise, and the temperature variation is specified at 5 <sup>o</sup> K.
<list list-type="simple">
<list-item>
<label>(II)</label>
<p>At the bottom surface, <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-114"><label>(114)</label><mml:math id="mml-eqn-114" display="block"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>The corresponding system of equations, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref>, statically can be expressed as
<disp-formula id="eqn-115"><label>(115)</label><mml:math id="mml-eqn-115" 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>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-116"><label>(116)</label><mml:math id="mml-eqn-116" 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>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Usually, we would solve <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-117">Eqs. (117)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-118">(118)</xref> by using the Newton-Raphson method. Since, in the finite element analysis of this simple model, there are 10,080 degrees of freedom. In this case, the Newton-Raphson method involves a stiffness matrix of size 10,020 &#x00D7; 10,020. This means it is practically impossible to solve it by the Newton-Raphson method. Another way is to solve <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref> dynamically with proper damping coefficients so that, with a reasonable number of time steps, one may obtain nearly static solutions.</p>
<p>Since the Cauchy stress tensor and the corresponding 2nd order Piola-Kirchhoff stress are symmetric, the <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>-norm of the 2nd order Piola-Kirchhoff stress is defined as
<disp-formula id="eqn-117"><label>(117)</label><mml:math id="mml-eqn-117" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><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:msup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p>Similarly, the <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo></mml:math></inline-formula>norm of the plastic strain <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is defined as
<disp-formula id="eqn-118"><label>(118)</label><mml:math id="mml-eqn-118" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:msqrt></mml:math></disp-formula></p>
<p>The finite element results, i.e., <inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo></mml:math></inline-formula> Temperature Variation, <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of Stage I are plotted on the deformed shape in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>. It is observed that TEM, <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <italic>VON</italic> are indeed axis-symmetric. Actually, one may utilize <italic>Tecplot</italic> to show each component of plastic strain and each component of Piola-Kirchhoff stress.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>(<bold>a</bold>) Temperature Variation, (<bold>b</bold>) <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>-norm of the plastic strain, (<bold>c</bold>) <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>-norm of the 2nd order Piola-Kirchhoff stress. The color bars show the magnitudes of those variables. From the mesh, one can observe the deformed shape and also the axis symmetry. In Stage II, we investigate four cases. The boundary conditions at the bottom surface and the top surface are specified as follows.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-1.tif"/>
</fig>
<p><bold>Case 1</bold> <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p>
<p>Bottom Surface
<disp-formula id="eqn-119"><label>(119)</label><mml:math id="mml-eqn-119" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">{</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Top Surface
<disp-formula id="eqn-120"><label>(120)</label><mml:math id="mml-eqn-120" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>It means all nodes on the bottom surface are excited with a sine wave having a finite period of time (400 <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is propagating toward the top surface and then bounces back.</p>
<p><bold>Case 2</bold> <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p>
<p>Bottom Surface
<disp-formula id="eqn-121"><label>(121)</label><mml:math id="mml-eqn-121" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">{</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Top Surface
<disp-formula id="eqn-122"><label>(122)</label><mml:math id="mml-eqn-122" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Case 3</bold> <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p>
<p>Bottom Surface
<disp-formula id="eqn-123"><label>(123)</label><mml:math id="mml-eqn-123" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Top Surface
<disp-formula id="eqn-124"><label>(124)</label><mml:math id="mml-eqn-124" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Case 4</bold> <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p>
<p>Bottom Surface
<disp-formula id="eqn-125"><label>(125)</label><mml:math id="mml-eqn-125" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;if&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Top Surface
<disp-formula id="eqn-126"><label>(126)</label><mml:math id="mml-eqn-126" display="block"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-119">Eqs. (119)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-121">(121)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-123">(123)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-125">(125)</xref>, the numerical value of <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> equals one, and the dimension is <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>KM</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is worthwhile to mention that the time step in Stage II is <inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.25</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, comparing with <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.004</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Stage I. This huge difference justifies the treatment of the thermomechanical electromagnetic coupling problem by a two-stage solution procedure. It should be emphasized that since <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are mutually independent of each other, the four cases are mutually independent of each other. Recall <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-127">Eqs. (127)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-128">(128)</xref>
<disp-formula id="eqn-127"><label>(127)</label><mml:math id="mml-eqn-127" 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="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-128"><label>(128)</label><mml:math id="mml-eqn-128" 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="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and one may find that <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the unknown variables in the four cases, respectively. The numerical results of <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as functions of time of the four cases are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Figs. 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-5">5</xref>, respectively.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>The first row is <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the second row is <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the third row is <inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the fourth row is <inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first, second, third, fourth column is the data at <inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mn>500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. As time processes one may observe the wave propagation, including the bouncing back of the wave.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-2.tif"/>
</fig><fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>The first row is <inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the second row is <inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the third row is <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the fourth row is <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first, second, third, and fourth columns are the data at <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mn>500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. As time progresses, one may observe the wave propagation, including the bouncing back of the wave.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-3.tif"/>
</fig><fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>The first row is <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the second row is <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the third row is <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the fourth row is <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first, second, third, and fourth columns are the data at <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:mn>500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. As time progresses, one may observe the wave propagation, including the bouncing back of the wave.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-4a.tif"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-4b.tif"/>
</fig><fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>The first row is <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the second row is <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the third row is <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the fourth row is <inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first, second, third, and fourth columns are the data at <inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:mn>500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1500</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. As time progresses, one may observe the wave propagation, including the bouncing back of the wave.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-5a.tif"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-5b.tif"/>
</fig>
<p>From the color bars of the four figures, one may observe the wave propagation of the scalar potential <inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and vector potential <inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as well as the induced electric field vector <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and magnetic induction vector <inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. It is noticed that the waves started at the bottom surface and reflected back from the top surface.</p>
<p><bold><italic>Second Approach</italic></bold></p>
<p>In the second approach, the first stage solutions are obtained for static scalar and vector potentials. Then <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-102">Eqs. (102)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-103">(103)</xref> are solved for dynamic solutions of displacements and temperatures with forcing terms obtained from the first stage solutions. There are four independent cases:</p>
<p>Case 1 <inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula><disp-formula id="eqn-129"><label>(129)</label><mml:math id="mml-eqn-129" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 2 <inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula><disp-formula id="eqn-130"><label>(130)</label><mml:math id="mml-eqn-130" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 3 <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula><disp-formula id="eqn-131"><label>(131)</label><mml:math id="mml-eqn-131" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 4 <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula><disp-formula id="eqn-132"><label>(132)</label><mml:math id="mml-eqn-132" display="block"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>First, it is noticed that these four cases are static cases. Following the static cases of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-78">Eqs. (78)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-79">(79)</xref>, we have
<disp-formula id="eqn-133"><label>(133)</label><mml:math id="mml-eqn-133" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then, for the four cases we have</p>
<p>Case 1
<disp-formula id="eqn-134"><label>(134)</label><mml:math id="mml-eqn-134" display="block"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 2
<disp-formula id="eqn-135"><label>(135)</label><mml:math id="mml-eqn-135" display="block"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 3
<disp-formula id="eqn-136"><label>(136)</label><mml:math id="mml-eqn-136" display="block"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Case 4
<disp-formula id="eqn-137"><label>(137)</label><mml:math id="mml-eqn-137" display="block"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>One may also verify that <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-134">Eqs. (134)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-137">(137)</xref> satisfy <inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which are the two static homogeneous equations of Maxwell&#x2019;s equations. In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-129">Eqs. (129)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-132">(132)</xref>, the dimension of (<inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is <inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>KM</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It should be emphasized that <inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are mutually independent of each other. Also, it is seen that the static electric field <inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the static magnetic field <inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are mutually independent of each other. The generality of the <italic>Stage I</italic> solution is seen in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-129">Eqs. (129)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-132">(132)</xref>. On the other hand, one could simplify those equations so that analytical solutions are obtained.</p>
<p>In <italic>Stage II</italic>, each node has 4 unknowns (three for <inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and one for <inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>), this sample problem has 10,080 degrees of freedom. Here, Heun&#x2019;s method is employed to solve <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref>, which are one wave equation and one diffusion equation. To ensure numerical stability, the time step <inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> cannot be too large. For this sample problem, in <italic>Stage II</italic>, we use <inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.000005</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and have verified that such <inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> not only provides stability but also accuracy.</p>
<p>The boundary conditions are specified as:<list list-type="simple">
<list-item>
<label>(I)</label>
<p>At the top surface, <inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-138"><label>(138)</label><mml:math id="mml-eqn-138" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5.0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>tan</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<disp-formula id="eqn-139"><label>(139)</label><mml:math id="mml-eqn-139" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><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:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><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:mn>3.0</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3.0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>This means all the nodes on the top surface are rotated by <inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mn>45</mml:mn></mml:math></inline-formula><sup>&#x25CB;</sup> counterclockwise and elongated by 3.0 linearly up to <inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and stay there. The temperature variation is specified at 5 <sup>o</sup> K. In this work <inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7000</mml:mn><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>t</italic>.
<list list-type="simple">
<list-item>
<label>(II)</label>
<p>At the bottom surface, <inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-140"><label>(140)</label><mml:math id="mml-eqn-140" display="block"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>The governing equations for the displacement fields <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the temperature fields <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eqs. (96)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-98">(98)</xref>, can be rewritten as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A9">(A9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A19">(A19)</xref>, where <inline-formula id="ieqn-216"><mml:math id="mml-ieqn-216"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><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:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-217"><mml:math id="mml-ieqn-217"><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>j</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>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined in <xref ref-type="app" rid="app-1">Appendix A</xref>. It is understood that the details of <inline-formula id="ieqn-218"><mml:math id="mml-ieqn-218"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> should be consistent with the <italic>Stage I</italic> solutions, i.e., the static electric solution <inline-formula id="ieqn-219"><mml:math id="mml-ieqn-219"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-137">Eq. (137)</xref>, or the static magnetic solution <inline-formula id="ieqn-220"><mml:math id="mml-ieqn-220"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-134">Eqs. (134)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-135">(135)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-136">(136)</xref>.</p>
<p>In this work, we only look for solutions of Case 3 and Case 4&#x2014;the typical representative cases with axis symmetry. The finite element results, wave propagation of the displacement field, and diffusion process of the temperature field, are plotted on the deformed shape in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Figs. 6</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-7">7</xref>. It is noticed that the temperature, plastic strains, von Mises stresses, and current vectors are independent of the static magnetic field because <inline-formula id="ieqn-221"><mml:math id="mml-ieqn-221"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><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:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-222"><mml:math id="mml-ieqn-222"><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>j</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>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A9">Eqs. (A9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A19">(A19)</xref> are independent of the static magnetic field. Notice that <inline-formula id="ieqn-223"><mml:math id="mml-ieqn-223"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo></mml:math></inline-formula>Temperature Variation, <inline-formula id="ieqn-224"><mml:math id="mml-ieqn-224"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-225"><mml:math id="mml-ieqn-225"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-117">Eqs. (117)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-118">(118)</xref>. In <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>, the <inline-formula id="ieqn-226"><mml:math id="mml-ieqn-226"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-227"><mml:math id="mml-ieqn-227"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>-</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>norms of <inline-formula id="ieqn-228"><mml:math id="mml-ieqn-228"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;and&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> are plotted as functions of time. The current in the <inline-formula id="ieqn-229"><mml:math id="mml-ieqn-229"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>-</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>direction due to the input of the static electric field are plotted as functions of time in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref>.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>The first row is the temperature, the second row is the L2-norm of the plastic strain, and the third row is the L2-norm of the von Mises stress. The first, second, third, and fourth columns are the data at <inline-formula id="ieqn-230"><mml:math id="mml-ieqn-230"><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. The time processes show the diffusion process of the temperature, the propagation of the plastic strain, and the von Mises stress.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-6.tif"/>
</fig><fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>The first row is the current in the <italic>z</italic>-direction due to the electric field with Case 4 &#x003D; 10. The second row is the current in the <italic>z</italic>-direction due to the electric field with Case 4 &#x003D; 20. The first, second, third, fourth column is the <inline-formula id="ieqn-231"><mml:math id="mml-ieqn-231"><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7000</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The color bars show the magnitudes of the variables. The mesh enables one to observe the axis-symmetry.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_80567-fig-7.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s9">
<label>9</label>
<title>Discussion</title>
<p>After the finite element formulation, we end up with the governing equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-102">Eqs. (102)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-105">(105)</xref>) for temperature, displacements, scalar and vector potentials. The governing equations for displacements are wave equations for acoustic waves, and the equations for scalar and vector potentials are wave equations for optic wave. The wave speeds for acoustic waves and optical waves are so huge that to solve those equations simultaneously is numerically difficult (if not impossible) and physically meaningless. Therefore, we propose a two-stage solution method that can be performed in two approaches.</p>
<p>In Approach 1, we solve the static (or nearly static) thermomechanical problem in <italic>Stage I</italic>. The solution of the problem in Stage I will serve as forcing terms for scalar and vector potentials in <italic>Stage II</italic>. Both sets of solutions are presented.</p>
<p>In Approach 2, we solve the static scalar or vector potential problem in <italic>Stage I</italic>. In a static problem, the speed is zero. Then the scalar or vector potential serves as the forcing terms for temperature and displacements in <italic>Stage II</italic>. Both sets of solutions are presented.</p>
<p>The finite element program has been developed in-house. Many subroutines have been developed more than a decade ago. We have also built in many checkpoints. A mistake will stop the running of the computer code. For example, if a mistake is encountered in the return mapping algorithm, the entire code will be stopped. Therefore, no mistake is associated with the plasticity in this work. Finally, it is worthwhile to name a few references for future work [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s10">
<label>10</label>
<title>Conclusion</title>
<p>First, we introduce Maxwell&#x2019;s equations and the balance laws of classical continuum mechanics. These two sets of equations are linked together through the electromagnetic part of the body force, body moment, and energy source (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">Eqs. (23)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">(25)</xref>). Then we derive the constitutive equations for a geometrically nonlinear thermo-visco-elastic-plastic-electromagnetic continuum. We realize that the electric field <inline-formula id="ieqn-232"><mml:math id="mml-ieqn-232"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and magnetic flux <inline-formula id="ieqn-233"><mml:math id="mml-ieqn-233"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not independent of each other; one must rely on the introduction of the scalar potential <inline-formula id="ieqn-234"><mml:math id="mml-ieqn-234"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and vector potential <inline-formula id="ieqn-235"><mml:math id="mml-ieqn-235"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the relation between <inline-formula id="ieqn-236"><mml:math id="mml-ieqn-236"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-237"><mml:math id="mml-ieqn-237"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-78">Eqs. (78)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-79">(79)</xref>). Then we formulate the coupled finite element equations for the temperature, displacement, scalar potential, and vector potential fields. The finite element equations for the displacement field are acoustic wave equations, and the finite element equations for the scalar and vector potentials are optic wave equations. The wave speeds of the two sets of finite element equations have a huge difference. To solve these equations simultaneously is numerically difficult (if not impossible) and physically meaningless. This is considered the greatest limitation of this work. Therefore, we propose to solve this problem in two approaches, each of which has two stages. The details are described in <xref ref-type="sec" rid="s8">Section 8</xref>.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>None.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>The authors received no specific funding for this study.</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>Shuaiqi Song contributed to Methodology, Investigation, Visualization, Validation, and Writing&#x2014;original draft. Lijie Grace Zhang contributed to Supervision, Funding acquisition, Writing&#x2014;review and editing. James D. Lee contributed to Conceptualization, Formal analysis, Supervision, Writing&#x2014;review and editing. 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>Data available on request from the authors. The data that support the findings of this study are available from the corresponding author, upon reasonable request.</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>
<app-group id="appg-1">
<app id="app-1">
<title>Appendix A</title>
<p>First, we link the displacement, temperature, scalar potential, and vector potential at a generic point in an element to the corresponding nodal values associated with this element as follows:<disp-formula id="eqn-A1"><label>(A1)</label><mml:math id="mml-eqn-A1" 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>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The weak form of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-96">Eq. (96)</xref> can be written as
<disp-formula id="eqn-A2"><label>(A2)</label><mml:math id="mml-eqn-A2" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Term by term, we may obtain the followings:<disp-formula id="eqn-A3"><label>(A3)</label><mml:math id="mml-eqn-A3" 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:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where on the boundary, <inline-formula id="ieqn-238"><mml:math id="mml-ieqn-238"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the surface force is specified as
<disp-formula id="eqn-A4"><label>(A4)</label><mml:math id="mml-eqn-A4" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Also, we define
<disp-formula id="eqn-A5"><label>(A5)</label><mml:math id="mml-eqn-A5" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>The other two terms are derived to be
<disp-formula id="eqn-A6"><label>(A6)</label><mml:math id="mml-eqn-A6" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-A7"><label>(A7)</label><mml:math id="mml-eqn-A7" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A2">Eq. (A2</xref>) can be re-written as
<disp-formula id="eqn-A8"><label>(A8)</label><mml:math id="mml-eqn-A8" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Because<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A8"> Eq. (A8)</xref> has to be valid for arbitrary virtual displacement <inline-formula id="ieqn-239"><mml:math id="mml-ieqn-239"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the finite element equation for the balance of linear momentum becomes
<disp-formula id="eqn-A9"><label>(A9)</label><mml:math id="mml-eqn-A9" display="block"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Based on the energy equation, the weak form of the conservation law of energy can be written as (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-97">Eq. (97)</xref>) [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]
<disp-formula id="eqn-A10"><label>(A10)</label><mml:math id="mml-eqn-A10" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The first term in the weak form becomes
<disp-formula id="eqn-A11"><label>(A11)</label><mml:math id="mml-eqn-A11" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>The second term yields
<disp-formula id="eqn-A12"><label>(A12)</label><mml:math id="mml-eqn-A12" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The third term results
<disp-formula id="eqn-A13"><label>(A13)</label><mml:math id="mml-eqn-A13" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The fourth term is identified and derived as
<disp-formula id="eqn-A14"><label>(A14)</label><mml:math id="mml-eqn-A14" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The fifth term is identified and derived as
<disp-formula id="eqn-A15"><label>(A15)</label><mml:math id="mml-eqn-A15" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The sixth term can be derived as
<disp-formula id="eqn-A16"><label>(A16)</label><mml:math id="mml-eqn-A16" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where on the boundary surface, <inline-formula id="ieqn-240"><mml:math id="mml-ieqn-240"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-241"><mml:math id="mml-ieqn-241"><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is specified as the heat flow <inline-formula id="ieqn-242"><mml:math id="mml-ieqn-242"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-243"><mml:math id="mml-ieqn-243"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the unit outward normal to the boundary surface.</p>
<p>The last term becomes
<disp-formula id="eqn-A17"><label>(A17)</label><mml:math id="mml-eqn-A17" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>Now <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-A10">Eq. (A10)</xref> can be re-written as
<disp-formula id="ueqn-160"><label>A18</label><mml:math id="mml-ueqn-160" display="block"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>which implies the finite element equation for conservation law of energy becomes
<disp-formula id="eqn-A19"><label>(A19)</label><mml:math id="mml-eqn-A19" display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>For scalar potential, the weak form of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-99">Eq. (99)</xref> is expressed as
<disp-formula id="eqn-A20"><label>(A20)</label><mml:math id="mml-eqn-A20" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Term by term one obtains
<disp-formula id="eqn-A21"><label>(A21)</label><mml:math id="mml-eqn-A21" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-A22"><label>(A22)</label><mml:math id="mml-eqn-A22" 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:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-A23"><label>(A23)</label><mml:math id="mml-eqn-A23" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Therefore, one obtains
<disp-formula id="eqn-A24"><label>(A24)</label><mml:math id="mml-eqn-A24" display="block"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-244"><mml:math id="mml-ieqn-244"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is part of the enclosing surface of the volume <inline-formula id="ieqn-245"><mml:math id="mml-ieqn-245"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> on which <inline-formula id="ieqn-246"><mml:math id="mml-ieqn-246"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is specified as <inline-formula id="ieqn-247"><mml:math id="mml-ieqn-247"><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula id="ieqn-248"><mml:math id="mml-ieqn-248"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the unit outward normal to the enclosing surface; and
<disp-formula id="eqn-A25"><label>(A25)</label><mml:math id="mml-eqn-A25" 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>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>For vector potential, the weak form of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-100">Eq. (100)</xref> is expressed as
<disp-formula id="eqn-A26"><label>(A26)</label><mml:math id="mml-eqn-A26" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Term by term one obtains
<disp-formula id="eqn-A27"><label>(A27)</label><mml:math id="mml-eqn-A27" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mover><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-A28"><label>(A28)</label><mml:math id="mml-eqn-A28" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-A29"><label>(A29)</label><mml:math id="mml-eqn-A29" display="block"><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Therefore, one obtains
<disp-formula id="eqn-A30"><label>(A30)</label><mml:math id="mml-eqn-A30" display="block"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-249"><mml:math id="mml-ieqn-249"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is part of the enclosing surface of the volume <inline-formula id="ieqn-250"><mml:math id="mml-ieqn-250"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> on which <inline-formula id="ieqn-251"><mml:math id="mml-ieqn-251"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is specified as <inline-formula id="ieqn-252"><mml:math id="mml-ieqn-252"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>; and
<disp-formula id="eqn-A31"><label>(A31)</label><mml:math id="mml-eqn-A31" display="block"><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</app>
</app-group>
<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>Jackson</surname> <given-names>JD</given-names></string-name></person-group>. <source>Classical electrodynamics</source>. <publisher-loc>Hoboken, NJ, USA</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x0026; Sons, Inc.</publisher-name>; <year>1999</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>De Groot</surname> <given-names>SR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Suttorp</surname> <given-names>LG</given-names></string-name></person-group>. <source>Foundations of electrodynamics</source>. <publisher-loc>Amsterdam, The Netherlands</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name>; <year>1972</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Eringen</surname> <given-names>AC</given-names></string-name></person-group>. <source>Mechanics of continua</source>. <edition>2nd</edition> ed. <publisher-loc>Melbourne, FL, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Krieger</publisher-name>; <year>1980</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Eringen</surname> <given-names>AC</given-names></string-name></person-group>. <source>Microcontinuum field theories I: Foundations and solids</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>; <year>1999</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4612-0555-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Eringen</surname> <given-names>AC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Maugin</surname> <given-names>GA</given-names></string-name></person-group>. <source>Electrodynamics of continua I: Foundations and solid media</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>; <year>1990</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4612-3236-0</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Eringen</surname> <given-names>AC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Maugin</surname> <given-names>GA</given-names></string-name></person-group>. <source>Electrodynamics of continua II: Fluids and complex media</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>; <year>1990</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4612-3236-0</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lee</surname> <given-names>JD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <source>Advanced continuum theories and finite element analyses</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name>; <year>2019</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1142/11312</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Eringen</surname> <given-names>AC</given-names></string-name></person-group>. <source>Nonlocal continuum field theories</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>; <year>2002</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Coleman</surname> <given-names>BD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Noll</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The thermodynamics of elastic materials with heat conduction and viscosity</article-title>. <source>Arch Ration Mech Anal</source>. <year>1963</year>;<volume>13</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>167</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF01262690</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>Casey</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>On elastic-thermo-plastic materials at finite deformations</article-title>. <source>Int J Plast</source>. <year>1998</year>;<volume>14</volume>(<issue>1&#x2013;3</issue>):<fpage>173</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0749-6419(97)00047-8</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>Green</surname> <given-names>AE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Naghdi</surname> <given-names>PM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A general theory of an elastic-plastic continuum</article-title>. <source>Arch Ration Mech Anal</source>. <year>1965</year>;<volume>18</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>251</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00251666</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>Onsager</surname> <given-names>L</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Reciprocal relations in irreversible processes I</article-title>. <source>Phys Rev</source>. <year>1931</year>;<volume>37</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>405</fpage>&#x2013;<lpage>26</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.37.405</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>Onsager</surname> <given-names>L</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Reciprocal relations in irreversible processes II</article-title>. <source>Phys Rev</source>. <year>1931</year>;<volume>38</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>2265</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.38.2265</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lee</surname> <given-names>JD</given-names></string-name></person-group>. <source>Molecular simulations and multiphysics nanoscale coupling</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>; <year>2026</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gong</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pan</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Three-dimensional general magneto-electro-elastic finite element model for multiphysics nonlinear analysis of layered composites</article-title>. <source>Appl Math Mech Engl Ed</source>. <year>2023</year>;<volume>44</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>53</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-023-2943-8</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>Li</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yuan</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The coupling multiscale finite element method for transient responses of heterogeneous magneto-electro-elastic structures in thermal environment</article-title>. <source>J Mech</source>. <year>2025</year>;<volume>41</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>355</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1093/jom/ufaf028</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yong</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A coupled electromagnetic-mechanical model and contact behavior of the superconducting coils</article-title>. <source>Appl Math Model</source>. <year>2024</year>;<volume>133</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>491</fpage>&#x2013;<lpage>511</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2024.05.042</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kanan</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Polukhov</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Keip</surname> <given-names>MA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dorfmann</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaliske</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Computational material stability analysis in finite thermo-electro-mechanics</article-title>. <source>Mech Res Commun</source>. <year>2022</year>;<volume>121</volume>:<fpage>103867</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechrescom.2022.103867</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>




