<?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" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" 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">15688</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2021.015688</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Topology and Shape Optimization of 2-D and 3-D Micro-Architectured Thermoelastic Metamaterials Using a Parametric Level Set Method</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Topology and Shape Optimization of 2-D and 3-D Micro-Architectured Thermoelastic Metamaterials Using a Parametric Level Set Method</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Topology and Shape Optimization of 2-D and 3-D Micro-Architectured Thermoelastic Metamaterials Using a Parametric Level Set Method</alt-title>
</title-group>
<contrib-group content-type="authors">
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western">
<surname>Vineyard</surname>
<given-names>Ellie</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref>
</contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western">
<surname>Gao</surname>
<given-names>Xin-Lin</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref>
<email>xlgao@smu.edu</email></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>PepsiCo R&#x0026;D Center</institution>, <addr-line>Valhalla, NY 10595</addr-line>, <country>USA</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Department of Mechanical Engineering, Southern Methodist University</institution>, <addr-line>Dallas, TX 75275-0337</addr-line>, <country>USA</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes><corresp id="cor1">&#x002A;Corresponding Author: Xin-Lin Gao. Email: <email>xlgao@smu.edu</email></corresp></author-notes>
<pub-date pub-type="epub" date-type="pub" iso-8601-date="2021-04-30"><day>30</day><month>04</month><year>2021</year>
</pub-date>
<volume>127</volume>
<issue>3</issue>
<fpage>819</fpage>
<lpage>854</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>05</day><month>1</month><year>2021</year></date>
<date date-type="accepted"><day>24</day><month>2</month><year>2021</year></date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2021 Vineyard and Gao</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Vineyard and Gao</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_15688.pdf"></self-uri>


<abstract>
<p>2-D and 3-D micro-architectured multiphase thermoelastic metamaterials are designed and analyzed using a parametric level set method for topology optimization and the finite element method. An asymptotic homogenization approach is employed to obtain the effective thermoelastic properties of the multiphase metamaterials. The <inline-formula id="ieqn-1"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-1.png"/><tex-math id="tex-ieqn-1"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint multi-objective optimization method is adopted in the formulation. The coefficient of thermal expansion (CTE) and Poisson&#x2019;s ratio (PR) are chosen as two objective functions, with the CTE optimized and the PR treated as a constraint. The optimization problems are solved by using the method of moving asymptotes. Effective isotropic and anisotropic CTEs and stiffness constants are obtained for the topologically optimized metamaterials with prescribed values of PR under the constraints of specified effective bulk modulus, volume fractions and material symmetry. Two solid materials along with one additional void phase are involved in each of the 2-D and 3-D optimal design examples. The numerical results reveal that the newly proposed approach can integrate shape and topology optimizations and lead to optimal microstructures with distinct topological boundaries. The current method can topologically optimize metamaterials with a positive, negative or zero CTE and a positive, negative or zero Poisson&#x2019;s ratio.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Topology optimization</kwd>
<kwd>thermoelastic metamaterial</kwd>
<kwd>level set method</kwd>
<kwd>sensitivity analysis</kwd>
<kwd>Poisson&#x2019;s ratio</kwd>
<kwd>coefficient of thermal expansion</kwd>
<kwd>effective elastic properties</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Micro-architectured thermoelastic metamaterials are a new class of materials with unusual thermal and elastic properties such as a negative Poisson&#x2019;s ratio and a non-positive coefficient of thermal expansion (CTE) (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]). For such metamaterials, micro-architectures play a crucial role in attaining targeted or extremal properties beyond those of their constituents. It offers additional degrees of freedom to achieve exotic properties that are not exhibited by naturally occurring or conventionally designed materials.</p>
<p>In developing these metamaterials, heuristic approaches have typically been used (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]). However, such approaches are limited to simple geometrical designs or loading conditions. For complex configurations and deformation mechanisms, topology optimization has emerged as a promising method (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>]). Sigmund et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] optimally designed materials with a zero or negative CTE based on the solid isotropic material with penalization (SIMP) method. They found that materials with a negative CTE can be obtained by using two solid materials (each having a positive CTE) and one void phase. Schwerdtfeger et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] optimized a 3-D structure with a negative Poisson&#x2019;s ratio and increased the negativity of Poisson&#x2019;s ratio by a factor 2 using a SIMP based inverse homogenization approach. Andreassen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>] designed a manufacturable 3-D elastic microstructure with a Poisson&#x2019;s ratio of &#x2212;0.5 through topology optimization with a manufacturing constraint. Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>] proposed multi-phase metamaterials with unusual thermoelastic properties by using a parametric level set-based topology optimization method combined with a finite element approach. Vogiatzis et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>] employed a reconciled level set-based topology optimization method to design single- and multiple-phase metamaterials with negative Poisson&#x2019;s ratios in both 2-D and 3-D configurations. Takezawa et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>] developed a topology optimization method for porous composites with anisotropic negative CTEs and isotropic/anisotropic positive CTEs. Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>] designed multi-phase and multi-functional metamaterials with targeted effective elastic moduli and CTEs and proposed some periodic microstructures that can produce negative Poisson&#x2019;s ratios and negative CTEs. Ye et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>] developed an optimization framework for gradually stiffer mechanical metamaterials with a negative Poisson&#x2019;s ratio using a parametric level set method and a numerical homogenization approach. Li et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>] proposed a robust topology optimization model for thermoelastic properties of multiphase metamaterials by considering hybrid interval-random uncertainties in properties of constituent materials. However, these authors did not consider 3-D cases or anisotropic CTEs under constraints of Poisson&#x2019;s ratio varying from negative to positive values. This motivated the current study.</p>
<p>In the present paper, topology optimization of micro-architectured multiphase thermoelastic metamaterials is conducted using a parametric level set method combined with a finite element analysis. The <inline-formula id="ieqn-2"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-2.png"/><tex-math id="tex-ieqn-2"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint multi-objective optimization method is adopted. An asymptotic homogenization approach is employed to obtain the effective thermoelastic properties of the metamaterials, and the method of moving asymptotes is applied to solve the optimization problem. Both 2-D and 3-D design examples are included to illustrate the new approach, which differs from what was done in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>] and other existing studies on topology optimization of multiphase metamaterials with extreme thermoelastic properties, where only 2D configurations were considered in their design examples. In Section 2, the asymptotic homogenization method for predicting effective thermoelastic properties of composites is briefly introduced. Existing analytical formulas for bounds on the effective CTE of heterogeneous composites are reviewed in Section 3. In Section 4, the topology optimization based on the parametric level set method (PLSM) is formulated, which is followed by a sensitivity analysis in Section 5. Numerical results for 2-D and 3-D design examples are presented in Section 6. The paper concludes in Section 7 with a summary.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Asymptotic Homogenization of Thermoelastic Properties</title>
<p>Asymptotic homogenization is a widely used approach in which two spatial scales (i.e., microscopic and macroscopic) are considered (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>]). The coordinate system at the microscopic scale is <inline-formula id="ieqn-3"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-3.png"/><tex-math id="tex-ieqn-3"><![CDATA[$\textbf{y}= (y_{1}, y_{2}, y_{3})$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">y</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, while that at the macroscopic scale is <inline-formula id="ieqn-4"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-4.png"/><tex-math id="tex-ieqn-4"><![CDATA[$\textbf{x}= (x_{1}, x_{2}, x_{3})$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>. The two scales are linked through <inline-formula id="ieqn-5"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-5.png"/><tex-math id="tex-ieqn-5"><![CDATA[$\textbf{y}= \textbf{x}/\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">y</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-6"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-6.png"/><tex-math id="tex-ieqn-6"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> ( &#x003E; 0) is a small dimensionless parameter.</p>
<p>Using the double-scale asymptotic expansion, the displacement field in a periodic heterogeneous (composite) material can be expressed as</p>
<p><disp-formula id="eqn-1">
<label>(1)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-1.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-1"><![CDATA[$$\begin{equation}
u_{i}^{\varepsilon } \left(\mathbf{x},\,\mathbf{y}\right)=u_{i}^{0} \left(\mathbf{x},\,
\mathbf{y}\right)+\varepsilon u_{i}^{1} \left(\mathbf{x},\,\mathbf{y}\right)+\varepsilon ^{2}u_{i}^{2} \left(\mathbf{x},\,\mathbf{y}\right)+\cdot \cdot \cdot , \label{eqn-1}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-7"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-7.png"/><tex-math id="tex-ieqn-7"><![CDATA[$u_{i}^{0} \left(\mathbf{x}, \mathbf{y}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<italic>i</italic> = 1, 2, 3) denote the homogeneous parts, and <inline-formula id="ieqn-8"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-8.png"/><tex-math id="tex-ieqn-8"><![CDATA[$u_{i}^{k} \left(\mathbf{x}, \mathbf{y}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<italic>i</italic> = 1, 2, 3; <italic>k</italic> = 1, 2, 3,<inline-formula id="ieqn-9"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-9.png"/><tex-math id="tex-ieqn-9"><![CDATA[$\ldots$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>) represent local variations at the scale of heterogeneities. Note that <inline-formula id="ieqn-10"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-10.png"/><tex-math id="tex-ieqn-10"><![CDATA[$u_{i}^{k} \left(\mathbf{x}, \mathbf{y}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is periodic in <bold>y</bold> (also known as <italic>Y</italic>-periodic), i.e., <inline-formula id="ieqn-11"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-11.png"/><tex-math id="tex-ieqn-11"><![CDATA[$u_{i}^{k} \left(x_{1}+n_{1}Y_{1},~x_{2}+n_{2}Y_{2},~x_{3}+n_{3}Y_{3}\right)= u_{i}^{k} \left(x_{1},~x_{2},~x_{3}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> for any integers <italic>n</italic><sub>1</sub>, <italic>n</italic><sub>2</sub> and <italic>n</italic><sub>3</sub> and periods <italic>Y</italic><sub>1</sub>, <italic>Y</italic><sub>2</sub> and <italic>Y</italic><sub>3</sub>.</p>
<p>It then follows from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> that the derivative of the displacement field <inline-formula id="ieqn-12"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-12.png"/><tex-math id="tex-ieqn-12"><![CDATA[$u_{i}^{\varepsilon } \left(\mathbf{x},~\mathbf{y}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>with respect to the macroscopic coordinate <bold>x</bold> can be obtained as, with the help of the chain rule and the relation <inline-formula id="ieqn-13"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-13.png"/><tex-math id="tex-ieqn-13"><![CDATA[$\textbf{y}= \textbf{x}/ \varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">y</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-2">
<label>(2)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-2.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-2"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial u_{i}^{\varepsilon } \left(\mathbf{x},\,\mathbf{y}\right)}{\partial x_{j}}=\frac{\partial u_{i}^{0} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\mathbf{y}\right)}{\partial x_{j}}+\frac{1}{\varepsilon }\frac{\partial u_{i}^{0} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\mathbf{y}\right)}{\partial y_{j}}+\varepsilon \frac{\partial u_{i}^{1} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\mathbf{y}\right)}{\partial x_{j}}+\frac{\partial u_{i}^{1} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\mathbf{y}\right)}{\partial y_{j}}+\varepsilon ^{2}\frac{\partial u_{i}^{2} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}\mathbf{y}\right)}{\partial x_{j}}+\varepsilon \frac{\partial u_{i}^{2} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\mathbf{y}\right)}{\partial y_{j}}+\cdot \cdot \cdot . \label{eqn-2}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>In addition, the limit of the integral of a <italic>Y</italic>-periodic function <inline-formula id="ieqn-14"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-14.png"/><tex-math id="tex-ieqn-14"><![CDATA[$\Psi \left(\mathbf{y}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> as <inline-formula id="ieqn-15"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-15.png"/><tex-math id="tex-ieqn-15"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> approaches zero is given by (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-3">
<label>(3)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-3.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-3"><![CDATA[$$\begin{equation}
\lim _{\varepsilon \rightarrow 0}\int_{\Omega }\Psi \left(\frac{\mathbf{x}}{\varepsilon }\right)\mathrm{d\Omega }=\int_{\Omega } \left[\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}\Psi \left(\mathbf{y}\right)\,\mathrm{d}Y\right]\,\mathrm{d\Omega }, \label{eqn-3}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>&#x2192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>y</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-16"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-16.png"/><tex-math id="tex-ieqn-16"><![CDATA[$\Omega$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the domain occupied by the material, <italic>Y</italic> represents a unit cell of the material, and <inline-formula id="ieqn-17"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-17.png"/><tex-math id="tex-ieqn-17"><![CDATA[$ \left| Y\right|$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the unit cell area (in a 2-D case) or volume (in a 3-D case).</p>
<p>According to the principle of virtual work, the equilibrium equation of a material undergoing thermoelastic deformations can be written as (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-4">
<label>(4)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-4.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-4"><![CDATA[$$\begin{equation}
\int_{{\Omega ^{\varepsilon }}}C_{ijkl}\frac{\partial u_{k}^{\varepsilon }}{\partial x_{l}}\frac{\partial v_{i}}{\partial x_{j}}\,\mathrm{d\Omega }=\int_{{\Omega ^{\varepsilon }}}b_{i}v_{i}\,\mathrm{d\Omega }+\int_{{\Gamma _{t}}}t_{i}v_{i}\,\mathrm{d\Gamma }+\int_{{S^{\varepsilon }}}p_{i}v_{i}\,\mathrm{d}S+\int_{{\Omega ^{\varepsilon }}}C_{ijkl}\alpha _{kl}\Delta T\frac{\partial v_{i}}{\partial x_{j}}\,\mathrm{d\Omega }, \label{eqn-4}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-18"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-18.png"/><tex-math id="tex-ieqn-18"><![CDATA[$\Omega^{\varepsilon}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the material domain with microstructures, <inline-formula id="ieqn-19"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-19.png"/><tex-math id="tex-ieqn-19"><![CDATA[$\Gamma_{t}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the traction-prescribed part of the smooth closed boundary surface of <inline-formula id="ieqn-20"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-20.png"/><tex-math id="tex-ieqn-20"><![CDATA[$\Omega^{\varepsilon}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-21"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-21.png"/><tex-math id="tex-ieqn-21"><![CDATA[$S^{\varepsilon}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the interface (or hole surface), <italic>C<sub>ijkl</sub></italic> are the components of the elasticity (stiffness) tensor, <italic>v<sub>i</sub></italic> are the components of the virtual displacement, <italic>b<sub>i</sub></italic> are the components of the body force, <italic>t<sub>i</sub></italic> are the components of the traction on the boundary part <inline-formula id="ieqn-22"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-22.png"/><tex-math id="tex-ieqn-22"><![CDATA[$\Gamma_{t}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <italic>p<sub>i</sub></italic> are the components of the traction on the interface <inline-formula id="ieqn-23"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-23.png"/><tex-math id="tex-ieqn-23"><![CDATA[$S^{\varepsilon}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-24"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-24.png"/><tex-math id="tex-ieqn-24"><![CDATA[$\Delta T$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the temperature change.</p>
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eqs. (2)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-3">(3)</xref> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eq. (4)</xref> gives the following three hierarchical equations based on the order of <inline-formula id="ieqn-25"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-25.png"/><tex-math id="tex-ieqn-25"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>]):</p>
<p><disp-formula id="eqn-5">
<label>(5)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-5.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-5"><![CDATA[$$\begin{equation}C_{ijkl}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(C_{ijkl}-C_{ijmn}\frac{\partial \chi _{m}^{kl}}{\partial y_{n}}\right)\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-5} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-6">
<label>(6)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-6.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-6"><![CDATA[$$\begin{equation}\beta _{ij}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}C_{ijmn} \left(\alpha _{mn}\Delta T-\frac{\partial \Upsilon_{m}}{\partial y_{n}}\right)\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-6} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<disp-formula id="eqn-7">
<label>(7)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-7.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-7"><![CDATA[$$\begin{equation}\alpha _{ij}^{H}= \left(C_{ijkl}^{H}\right)^{-1}\beta _{kl}^{H}, \label{eqn-7}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula>
<p>where <inline-formula id="ieqn-26"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-26.png"/><tex-math id="tex-ieqn-26"><![CDATA[$C_{ijkl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-27"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-27.png"/><tex-math id="tex-ieqn-27"><![CDATA[$\beta _{ij}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-28"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-28.png"/><tex-math id="tex-ieqn-28"><![CDATA[$\alpha _{ij}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the effective (homogenized) elastic stiffness, thermal stress and coefficient of thermal expansion tensors, <inline-formula id="ieqn-29"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-29.png"/><tex-math id="tex-ieqn-29"><![CDATA[$\chi _{m}^{kl}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-30"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-30.png"/><tex-math id="tex-ieqn-30"><![CDATA[$\Upsilon_{m}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the characteristic displacement fields induced by the mechanical and thermal loading, which can be obtained from (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-8">
<label>(8)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-8.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-8"><![CDATA[$$\begin{equation}\int_{Y}C_{ijmn}\frac{\partial \chi _{m}^{kl}}{\partial y_{n}}\frac{\partial v_{i}}{\partial y_{j}}\,\mathrm{d}Y=\int_{Y}C_{ijmn}\varepsilon _{mn}^{0 \left(kl\right)}\frac{\partial v_{i}}{\partial y_{j}}\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-8} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-9">
<label>(9)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-9.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-9"><![CDATA[$$\begin{equation}\int_{Y}C_{ijkl}\frac{\partial \Upsilon_{k}}{\partial y_{l}}\frac{\partial v_{i}}{\partial y_{j}}\,\mathrm{d}Y=\int_{Y}C_{ijkl}\alpha _{kl}\frac{\partial v_{i}}{\partial y_{j}}\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-9}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Note that <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eqs. (5)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">(6)</xref> can each be rewritten in a symmetric form as (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-10">
<label>(10)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-10.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-10"><![CDATA[$$\begin{equation}C_{ijkl}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)C_{pqrs} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-10} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-11">
<label>(11)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-11.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-11"><![CDATA[$$\begin{equation}\beta _{kl}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}\Delta T-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)C_{pqrs} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-11}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-31"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-31.png"/><tex-math id="tex-ieqn-31"><![CDATA[$\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> stands for three or six linearly independent unit test strain fields for the 2-D or 3-D case, and <inline-formula id="ieqn-32"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-32.png"/><tex-math id="tex-ieqn-32"><![CDATA[$\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-33"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-33.png"/><tex-math id="tex-ieqn-33"><![CDATA[$\varepsilon _{pq}^{\alpha }$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> represent the locally varying strain and thermal strain fields induced, respectively, by the test strain modes and thermal load, which can be obtained from</p>
<p><disp-formula id="eqn-12">
<label>(12)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-12.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-12"><![CDATA[$$\begin{equation}\varepsilon _{pq}^{ \left(kl\right)}=\varepsilon _{pq} \left(\chi ^{kl}\right)=\frac{1}{2} \left(\frac{\partial \chi _{p}^{kl}}{\partial y_{q}}+\frac{\partial \chi _{q}^{kl}}{\partial y_{p}}\right),
 \label{eqn-12} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-13">
<label>(13)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-13.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-13"><![CDATA[$$\begin{equation}\varepsilon _{pq}^{\alpha }=\varepsilon _{pq} \left(\Upsilon^{\alpha }\right)=\frac{1}{2} \left(\frac{\partial \Upsilon_{p}^{\alpha }}{\partial y_{q}}+\frac{\partial \Upsilon_{q}^{\alpha }}{\partial y_{p}}\right). \label{eqn-13}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Also, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">Eqs. (8)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref> can be rewritten as, with the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eqs. (12)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">(13)</xref> and the symmetry of <italic>C<sub>ijkl</sub></italic>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-14">
<label>(14)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-14.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-14"><![CDATA[$$\begin{equation}\int_{Y}C_{pqrs}\varepsilon _{pq}^{*} \left(\chi ^{kl}\right)\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y=\int_{Y}C_{pqrs}\varepsilon _{pq}^{0} \left(\chi ^{kl}\right)\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-14} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-15">
<label>(15)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-15.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-15"><![CDATA[$$\begin{equation}\int_{Y}C_{pqrs}\varepsilon _{pq} \left(\Upsilon^{\alpha }\right)\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y=\int_{Y}C_{pqrs}\alpha _{pq}\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y.
 \label{eqn-15}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Bounds on the Effective Coefficient of Thermal Expansion</title>
<p>Several analytical and semi-analytical formulas have been provided to evaluate the effective CTE of heterogeneous composites, which include those reported in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>]. The model by Gibiansky et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>], which gives tight and sharp bounds compared to those presented in Schapery [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>] and Rosen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>], is adopted in this study. The upper and lower bounds on the effective CTE read [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>] </p>
<disp-formula id="eqn-16a">
<label>(16a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_33"><![CDATA[$$\begin{align}
 \left.\begin{array}{l}\alpha _{2D}^{U} \\[6pt] \alpha _{2D}^{L}\end{array}\right\}& =\frac{1}{\kappa ^{*} \left(\kappa _{2D}^{U}-\kappa _{2D}^{L}\right)} \left[ \left(\kappa _{2D}^{U}-\kappa ^{*}\right) \left(\kappa _{2D}^{L}+\mu _{\min }\right) \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\min }}\right\rangle \right.\nonumber \\
 & \quad \left.+ \left(\kappa ^{*}-\kappa _{2D}^{L}\right) \left(\kappa _{2D}^{U}+\mu _{\max }\right) \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\max }}\right\rangle \pm \Psi _{2D}^{1/2} \left(\kappa _{2D}^{U}-\kappa ^{*}\right)^{1/2} \left(\kappa ^{*}-\kappa _{2D}^{L}\right)^{1/2}\right] \label{eqn-16a}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-IEq_33" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo></mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mrow><mml:mo></mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>
<p>for 2-D cases, where</p>
<p><disp-formula id="eqn-16b">
<label>(16b)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_33"><![CDATA[$$\begin{align}
\Psi _{2D}& =- \left(\kappa _{2D}^{U}+\mu _{\max }\right) \left(\kappa _{2D}^{L}+\mu _{\min }\right) \left\{ \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\min }}\right\rangle - \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\max }}\right\rangle \right\}^{2}\nonumber \\
&\quad + \left(\mu _{\max }-\mu _{\min }\right) \left\{ \left(\kappa _{2D}^{L}+\mu _{\min }\right) \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\min }}\right\rangle ^{2}- \left(\kappa _{2D}^{U}+\mu _{\max }\right) \left\langle \frac{\kappa \alpha }{\kappa +\mu _{\max }}\right\rangle ^{2}\right\}\nonumber \\
&\quad + \left(\kappa _{2D}^{U}-\kappa _{2D}^{L}\right) \left\{\mu _{\max } \left\langle \frac{\kappa \alpha ^{2}}{\kappa +\mu _{\max }}\right\rangle -\mu _{\min } \left\langle \frac{\kappa \alpha ^{2}}{\kappa +\mu _{\min }}\right\rangle \right\},
\label{eqn-16b}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_16b" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>and</p>
<disp-formula id="eqn-17a">
<label>(17a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_33"><![CDATA[$$\begin{align}
 \left.\begin{array}{l}\alpha _{3D}^{U} \\[6pt] \alpha _{3D}^{L}\end{array}\right\}& =\frac{1}{\kappa ^{*} \left(\kappa _{3D}^{U}-\kappa _{3D}^{L}\right)} \left[ \left(\kappa _{3D}^{U}-\kappa ^{*}\right) \left(\kappa _{3D}^{L}+\frac{4\mu _{\min }}{3}\right) \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\min }}\right\rangle \right.\nonumber \\
&\quad \left.+ \left(\kappa ^{*}-\kappa _{3D}^{L}\right) \left(\kappa _{3D}^{U}+\frac{4\mu _{\max }}{3}\right) \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\max }}\right\rangle \pm \Psi _{3D}^{1/2} \left(\kappa _{3D}^{U}-\kappa ^{*}\right)^{1/2} \left(\kappa ^{*}-\kappa _{3D}^{L}\right)^{1/2}\right] \label{eqn-17a}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_17a" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo></mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mrow><mml:mo></mml:mo><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>
<p>for 3-D cases, where</p>
<p><disp-formula id="eqn-17b">
<label>(17b)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_33"><![CDATA[$$\begin{align}
\Psi _{3D}& =- \left(\kappa _{3D}^{U}+\frac{4\mu _{\max }}{3}\right) \left(\kappa _{3D}^{L}+\frac{4\mu _{\min }}{3}\right) \left[ \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\min }}\right\rangle - \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\max }}\right\rangle \right]^{2}\nonumber \\
&\quad+\frac{4 \left(\mu _{\max }-\mu _{\min }\right)}{3} \left[ \left(\kappa _{3D}^{L}+\frac{4\mu _{\min }}{3}\right) \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\min }}\right\rangle ^{2}- \left(\kappa _{3D}^{U}+\frac{4\mu _{\max }}{3}\right) \left\langle \frac{3\kappa \alpha }{3\kappa +4\mu _{\max }}\right\rangle ^{2}\right]\nonumber \\
&\quad + \left(\kappa _{3D}^{U}-\kappa _{3D}^{L}\right) \left[4\mu _{\max } \left\langle \frac{\kappa \alpha ^{2}}{3\kappa +4\mu _{\max }}\right\rangle -4\mu _{\min } \left\langle \frac{\kappa \alpha ^{2}}{3\kappa +4\mu _{\min }}\right\rangle \right]. \label{eqn-17b}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_17b" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>&#x03A8;</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16a">Eqs. (16a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16b">(16b)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17a">(17a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17b">(17b)</xref>, <inline-formula id="ieqn-34"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-34.png"/><tex-math id="tex-ieqn-34"><![CDATA[$ \left\langle \mathrm{X }\right\rangle =\displaystyle\sum_{n=1}^{N}v_{{f_{n}}}\mathrm{X }_{n}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>X</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>X</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> represents the volume average of the property for the multi-phase composite, with <italic>v</italic><sub><italic>f<sub>n</sub></italic></sub> being the volume fraction of each phase and <italic>N</italic> the number of phases, <inline-formula id="ieqn-35"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-35.png"/><tex-math id="tex-ieqn-35"><![CDATA[$\mathrm{\mu}_{\min}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-36"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-36.png"/><tex-math id="tex-ieqn-36"><![CDATA[$\mathrm{\mu}_{\max}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the minimum and maximum shear moduli, <inline-formula id="ieqn-37"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-37.png"/><tex-math id="tex-ieqn-37"><![CDATA[$\kappa _{2D}^{L}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-38"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-38.png"/><tex-math id="tex-ieqn-38"><![CDATA[$\kappa _{2D}^{U}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are the lower and upper Hashin-Shtrikman bounds on the 2-D bulk modulus given by [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>]</p>
<disp-formula id="eqn-18a">
<label>(18a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_38"><![CDATA[$$\begin{align}
&\kappa _{2D}^{L}= \left\langle \frac{1}{\kappa +\mu _{\min }}\right\rangle ^{-1}-\mu _{\min },
 \label{eqn-18a} \\
&\kappa _{2D}^{U}= \left\langle \frac{1}{\kappa +\mu _{\max }}\right\rangle ^{-1}-\mu _{\max }, \label{eqn-18b}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_18a" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-18b">
<label>(18b)</label>
<mml:math id="mml-eqn_18b" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>and <inline-formula id="ieqn-39"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-39.png"/><tex-math id="tex-ieqn-39"><![CDATA[$\kappa _{3D}^{L}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-40"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-40.png"/><tex-math id="tex-ieqn-40"><![CDATA[$\kappa _{3D}^{U}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the lower and upper Hashin-Shtrikman bounds on the 3-D bulk modulus given by [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>]</p>
<disp-formula id="eqn-19a">
<label>(19a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_40"><![CDATA[$$\begin{align}
&\kappa _{3D}^{L}= \left\langle \frac{3}{3\kappa +4\mu _{\min }}\right\rangle ^{-1}-\frac{4\mu _{\min }}{3},
 \label{eqn-19a} \\
&\kappa _{3D}^{U}= \left\langle \frac{3}{3\kappa +4\mu _{\max }}\right\rangle ^{-1}-\frac{4\mu _{\max }}{3}, \label{eqn-19b}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_19a" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>

<disp-formula id="eqn-19b">
<label>(19b)</label>
<mml:math id="mml-eqn_19b" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2329;</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula id="ieqn-41"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-41.png"/><tex-math id="tex-ieqn-41"><![CDATA[$\kappa = E /[2(1 - \nu)]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> for the 2-D plane stress case and <inline-formula id="ieqn-42"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-42.png"/><tex-math id="tex-ieqn-42"><![CDATA[$\kappa = E/[3(1 - 2 \nu )]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> for the 3-D case, and <inline-formula id="ieqn-43"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-43.png"/><tex-math id="tex-ieqn-43"><![CDATA[$\mu = E /[2(1 + \nu )]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> for both the 2-D and 3-D cases (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>]).</p>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Topology Optimization Using the PLSM</title>
<p>The parametric level set method (PLSM) developed in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>] is a powerful shape and topology optimization approach that can overcome some shortcomings of the conventional level set method, such as no regularization, velocity extension, and numerical time step limitations (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>]). In addition, for multi-material optimizations, Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>] proposed the use of <italic>m</italic> level set functions to conduct multi-phase structural optimizations on the basis of the PLSM, which can prevent overlapping between different phases and suppress redundant regions in the design domain when compared to other multi-material approaches (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-46">46</xref>]).</p>
<p>In order to obtain multi-functional composites with optimal properties, multi-objective topology optimization methods need to be used. A few algorithms have been developed to achieve multi-objective optimization. The weighted sum optimization method is a classical approach that combines all the objectives into a single objective function, where the designer prescribes the weights a priori. Different weights can be assigned to different terms in the objective function based on their relative importance. These weights influence the final design. A major disadvantage of the weighted sum optimization is its strong dependence on the weights that needs to be carefully tailored according to specific applications (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-47">47</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>]). The <inline-formula id="ieqn-44"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-44.png"/><tex-math id="tex-ieqn-44"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint method is another popular method, in which one of the objective functions is optimized, while the other objective functions are regarded as constraints that can limit the influence from the assigned weights. A comparison between these two methods can be found in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-49">49</xref>]. In addition, evolutionary algorithms such as the genetic algorithm and particle swarm optimization have been widely used (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-50">50</xref>]). However, with a large number of design variables involved in a multi-objective topology optimization problem, it is quite challenging to use evolutionary algorithms due to the lack of speedy convergence and consistency.</p>
<p>Sigmund et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>] showed that there is no direct relationship between a negative coefficient of thermal expansion (CTE) and a negative Poisson&#x2019;s ratio (PR). CTEs and PRs are not competing properties. Therefore, each of them can change without affecting the other.</p>
<p>In this study, the <inline-formula id="ieqn-45"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-45.png"/><tex-math id="tex-ieqn-45"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint multi-objective optimization approach is adopted. The CTE and PR are chosen as two objective functions, but only the CTE is optimized and the PR is treated as a constraint. This differs from that in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>], where the weighted sum optimization method was employed by combining the thermal strain and elasticity tensors into one objective function using two sets of weighted factors.</p>
<p>The current topology optimization algorithm can be described as</p>
<disp-formula id="eqn-20a">
<label>(20a)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="math20a.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-20a"><![CDATA[$$\begin{equation}
 \left\{\begin{array}{l@{\quad}l}\text{F}\text{i}\text{n}\text{d}& m_{i}^{k}~ \left(i=1,\,2,\,\ldots ,\,n;~k=1,\,2\right) \\[8pt]
\text{M}\text{i}\text{n}\text{i}\text{m}\text{ize}\colon & \alpha _{j} \\[8pt]
\text{Subject to}\colon & V_{1}^{L} \leq V_{f1} \leq V_{1}^{U}, \\[6pt]
& V_{2}^{L} \leq V_{f2} \leq V_{2}^{U}, \\[6pt]
& \mathrm{g} \left(\mathbf{C}^{H}\right)=0, \\[6pt]
& \nu \leq \nu ^{*}, \\[6pt]
& a \left(\mathbf{u},\,\mathbf{v},\,\phi \right)=l \left(\mathbf{v},\,\phi \right),\quad
 \left. \mathbf{u}\right| _{{\Gamma _{D}}}=\mathbf{u}_{0},\quad \forall \, \mathbf{v}\in \mathbf{U}\mathrm{,} \\[6pt]
& m_{i}^{kL} \leq m_{i}^{k} \leq m_{i}^{kU}, \end{array}\right. \label{eqn-20a}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-20a" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mstyle><mml:mtext>F</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width=".3em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mstyle><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mstyle><mml:mtext>ize</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>:</mml:mo><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mstyle><mml:mtext>Subject&#x00A0;to</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>:</mml:mo><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>g</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo></mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>&#x2200;</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>U</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>
<p>where the coefficients <inline-formula id="ieqn-46"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-46.png"/><tex-math id="tex-ieqn-46"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<italic>k</italic> = 1, 2; <italic>i</italic> = 1, 2,<inline-formula id="ieqn-47"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-47.png"/><tex-math id="tex-ieqn-47"><![CDATA[$\ldots$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <italic>n</italic>) serve as design variables in optimization, with <italic>i</italic> representing the number of knot points in the design domain and <italic>k</italic> denoting two level set functions employed in the optimization, <inline-formula id="ieqn-48"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-48.png"/><tex-math id="tex-ieqn-48"><![CDATA[$\alpha _{j}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the coefficient of thermal expansion serving as the objective function, with <italic>j</italic> being 1 and 2 for the 2-D case or 1, 2 and 3 for the 3-D case, <inline-formula id="ieqn-49"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-49.png"/><tex-math id="tex-ieqn-49"><![CDATA[$V_{1}^{L}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-50"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-50.png"/><tex-math id="tex-ieqn-50"><![CDATA[$V_{1}^{U}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-51"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-51.png"/><tex-math id="tex-ieqn-51"><![CDATA[$V_{2}^{L}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-52"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-52.png"/><tex-math id="tex-ieqn-52"><![CDATA[$V_{2}^{U}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the prescribed lower and upper bounds on the volume fraction for solid materials 1 and 2, g(<bold>C</bold><sup><italic>H</italic></sup>) denotes the constraint on the stiffness tensor <bold>C</bold><sup><italic>H</italic></sup> due to the material symmetry, <inline-formula id="ieqn-53"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-53.png"/><tex-math id="tex-ieqn-53"><![CDATA[$\nu$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-54"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-54.png"/><tex-math id="tex-ieqn-54"><![CDATA[$\nu^{*}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, Poisson&#x2019;s ratio and its prescribed upper bound to be used in the constraint to obtain a positive, negative or a near zero Poisson&#x2019;s ratio, <inline-formula id="ieqn-55"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-55.png"/><tex-math id="tex-ieqn-55"><![CDATA[$m_{i}^{kL}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-56"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-56.png"/><tex-math id="tex-ieqn-56"><![CDATA[$m_{i}^{kU}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are, respectively, the lower and upper bounds of each design variable <inline-formula id="ieqn-57"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-57.png"/><tex-math id="tex-ieqn-57"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> to ensure a converged and stable solution, <bold>u</bold> and <bold>v</bold> are, respectively, the actual and virtual displacement fields, <bold>U</bold> is the kinematically admissible displacement space, <bold>u</bold><sub>0</sub> is the prescribed displacement on the admissible Dirichlet boundary <inline-formula id="ieqn-58"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-58.png"/><tex-math id="tex-ieqn-58"><![CDATA[$\Gamma_{D}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x0393;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, and <italic>a</italic> and <italic>l</italic> are the bilinear energy forms given by</p>
<p><disp-formula id="eqn-20b">
<label>(20b)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_58"><![CDATA[$$\begin{align}
&a \left(\mathbf{u},\,\mathbf{v},\,\phi \right)=\int_{Y}\varepsilon _{ij} \left(\mathbf{u}\right)C_{ijkl} \left(\mathbf{x},\,\phi \right)\varepsilon _{kl} \left(\mathbf{v}\right)\,dY, \label{eqn-20b} \\
&l \left(\mathbf{v},\,\phi \right)=\int_{Y}\varepsilon _{ij}^{0} \left(\mathbf{u}\right)C_{ijkl} \left(\mathbf{x},\,\phi \right)\varepsilon _{kl} \left(\mathbf{v}\right)\,dY, \label{eqn-20c}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_20b" display="block"><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-20c">
<label>(20c)</label>
<mml:math id="mml-eqn-20c" display="block"><mml:mtd></mml:mtd><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p><p>in which <inline-formula id="ieqn-59"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-59.png"/><tex-math id="tex-ieqn-59"><![CDATA[$\mathrm{C}_{ijkl} \left(\mathbf{x}\mathrm{, }~\phi \right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the locally varying elastic stiffness tensor that is related to the level set function <inline-formula id="ieqn-60"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-60.png"/><tex-math id="tex-ieqn-60"><![CDATA[$\phi$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-61"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-61.png"/><tex-math id="tex-ieqn-61"><![CDATA[$\varepsilon _{ij}^{0}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the applied strain.</p>
<p>The parametric level set-based topology optimization method (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>]) is adopted in this study. The method of moving asymptotes (MMA) developed by Svanberg [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>] is used to solve the optimization problem defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-20a">Eq. (20a)</xref>. The MMA is a well-known optimizer that is very efficient for structural optimization by minimizing sequential convex approximations of the original function. It is also widely employed to handle multiple constraints. These are different from what was done in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>], where the sequential linear programming method was employed as the optimization method.</p>
<p>According to the multi-material parametric level set method (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-54">54</xref>]), the elastic stiffness tensor <bold>C</bold> and the coefficient of thermal expansion tensor <inline-formula id="ieqn-62"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-62.png"/><tex-math id="tex-ieqn-62"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> at an arbitrary point <bold>x</bold> can be determined as</p>
<p><disp-formula id="eqn-21">
<label>(21)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-21.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-21"><![CDATA[$$\begin{equation}\mathbf{C} \left(\mathbf{x},\,\phi \right)=H \left(\phi ^{1}\right) \left[ \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)\mathbf{C}^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)\mathbf{C}^{2}\right],
 \label{eqn-21} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></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:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-22">
<label>(22)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-22.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-22"><![CDATA[$$\begin{equation}\boldsymbol{\alpha } \left(\mathbf{x},\,\phi \right)= \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)\boldsymbol{\alpha }^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)\boldsymbol{\alpha }^{2},
 \label{eqn-22}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></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:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-63"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-63.png"/><tex-math id="tex-ieqn-63"><![CDATA[$\phi^{1}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-64"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-64.png"/><tex-math id="tex-ieqn-64"><![CDATA[$\phi^{2}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> represent two level set functions employed in the multi-material optimization, and <bold>C</bold><inline-formula id="ieqn-65"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-65.png"/><tex-math id="tex-ieqn-65"><![CDATA[$^{\delta}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-66"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-66.png"/><tex-math id="tex-ieqn-66"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}^{\delta}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-67"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-67.png"/><tex-math id="tex-ieqn-67"><![CDATA[$\delta = 1$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, 2) are, respectively, the elastic stiffness tensors and coefficient of thermal expansion tensors for the two phases, and <italic>H</italic>(<inline-formula id="ieqn-68"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-68.png"/><tex-math id="tex-ieqn-68"><![CDATA[$\phi^{i}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>) (<italic>i</italic> = 1, 2) is the Heaviside function defined by</p>
<p><disp-formula id="eqn-23">
<label>(23)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-23.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-23"><![CDATA[$$\begin{equation}
H \left(\phi ^{i} \left(\mathbf{x}\right)\right)= \left\{\begin{array}{l@{\quad}l}0, & \phi ^{i} \left(\mathbf{x}\right)< 0, \\[8pt]
1, & \phi ^{i} \left(\mathbf{x}\right) \geq 0. \end{array}\right. \label{eqn-23}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Note that the cubic and isotropic elastic symmetries are considered in the microstructure design in the current study. To ensure the cubic symmetry, the constraints on the elastic constants given by g(<bold>C</bold><sup><italic>H</italic></sup>) = 0 in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-20a">Eq. (20a)</xref> have the explicit expressions (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-55">55</xref>]): C<inline-formula id="ieqn-69"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-69.png"/><tex-math id="tex-ieqn-69"><![CDATA[$_{1111}= \text{C}_{2222}= \text{C}_{3333}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1111</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2222</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3333</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, C<inline-formula id="ieqn-70"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-70.png"/><tex-math id="tex-ieqn-70"><![CDATA[$_{1122}= \text{C}_{1133}= \text{C}_{2233}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1122</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1133</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2233</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, C<inline-formula id="ieqn-71"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-71.png"/><tex-math id="tex-ieqn-71"><![CDATA[$_{1123}= \text{C}_{1112}= \text{C}_{1113}= \text{C}_{2223}= \text{C}_{2212}= \text{C}_{2213}= \text{C}_{3323}= \text{C}_{3312}= \text{C}_{3313}= \text{C}_{2312}= \text{C}_{2313}= \text{C}_{1213}= 0$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1123</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1112</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1113</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2223</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2212</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2213</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3323</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3312</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3313</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2312</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2313</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1213</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, and C<inline-formula id="ieqn-72"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-72.png"/><tex-math id="tex-ieqn-72"><![CDATA[$_{2323}= \text{C}_{1212}= \text{C}_{1313}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2323</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1212</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1313</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>. To attain the isotropic symmetry, one additional constraint in the form of C<inline-formula id="ieqn-73"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-73.png"/><tex-math id="tex-ieqn-73"><![CDATA[$_{2323}= (\text{C}_{1111}- \text{C}_{1122})/2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:msub><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2323</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1111</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1122</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> will be imposed along with those for the cubic symmetry (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>]). The above-mentioned constraints can be readily implemented in the MMA optimization algorithm, which is capable of handling multiple-constraint problems.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Sensitivity Analysis</title>
<p>In order to employ the MMA, the first derivatives of the objective function <inline-formula id="ieqn-74"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-74.png"/><tex-math id="tex-ieqn-74"><![CDATA[$\alpha _{j}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and constraint functions (including Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-75"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-75.png"/><tex-math id="tex-ieqn-75"><![CDATA[$\nu$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and volume fractions <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>1</sub> and <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>2</sub>) need to be computed with respect to the design variables <inline-formula id="ieqn-76"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-76.png"/><tex-math id="tex-ieqn-76"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>. Hence, the derivatives of the effective elastic stiffness tensor <inline-formula id="ieqn-77"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-77.png"/><tex-math id="tex-ieqn-77"><![CDATA[$C_{ijkl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and the effective thermal stress tensor <inline-formula id="ieqn-78"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-78.png"/><tex-math id="tex-ieqn-78"><![CDATA[$\beta _{kl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with respect to <inline-formula id="ieqn-79"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-79.png"/><tex-math id="tex-ieqn-79"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are derived here.</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eq. (10)</xref>, the derivative of <inline-formula id="ieqn-80"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-80.png"/><tex-math id="tex-ieqn-80"><![CDATA[$C_{ijkl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with respect to the pseudo-time <italic>t</italic> can be obtained as</p>
<p><disp-formula id="eqn-24">
<label>(24)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-24.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-24"><![CDATA[$$\begin{align}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial t}& =\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}\phi \right)}{\partial t} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y\nonumber \\
&\quad+2\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}\phi \right)\frac{\partial \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)}{\partial t}\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-24}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref>, it follows that</p>
<p><disp-formula id="eqn-25">
<label>(25)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-25.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-25"><![CDATA[$$\begin{equation}
\int_{Y} \left[\frac{\partial C_{pqrs}}{\partial t} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)+C_{pqrs}\frac{\partial \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)}{\partial t}\right]\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y=0. \label{eqn-25}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
 
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">Eq. (25)</xref> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref> leads to</p>
<p><disp-formula id="eqn-26">
<label>(26)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-26.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-26"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial t}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}\phi \right)}{\partial t} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-26}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Similarly, the derivative of the effective thermal stress tensor in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref> with respect to the pseudo-time <italic>t</italic> can be determined as</p>
<p><disp-formula id="eqn-27">
<label>(27)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-27.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-27"><![CDATA[$$\begin{align}
\frac{\partial \beta _{kl}^{H}}{\partial t}& =\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\phi \right)}{\partial t} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y\nonumber \\ &\quad+\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}\frac{\partial \left(\alpha _{pq}-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)}{\partial t}C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\phi \right) \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y\nonumber \\ &\quad +\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\phi \right)\frac{\partial \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)}{\partial t}\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-27}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mspace width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>, it follows that</p>
<p><disp-formula id="eqn-28">
<label>(28)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-28.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-28"><![CDATA[$$\begin{equation}
\int_{Y} \left[\frac{\partial C_{pqrs}}{\partial t} \left(\alpha _{pq}-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)+C_{pqrs}\frac{\partial \left(\alpha _{pq}-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)}{\partial t}\right]\frac{\partial v_{r}}{\partial y_{s}}\,\mathrm{d}Y=0.
 \label{eqn-28}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref> yields, with the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">Eq. (26)</xref>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-29">
<label>(29)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-29.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-29"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial \beta _{kl}^{H}}{\partial t}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}\Delta T-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x}\mathrm{,}~\phi \right)}{\partial t} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y.
 \label{eqn-29}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo>,</mml:mo></mml:mstyle><mml:mspace width=".3em" /><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>To obtain the derivative of a function with respect to the design variables <inline-formula id="ieqn-81"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-81.png"/><tex-math id="tex-ieqn-81"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">Eq. (26)</xref> can be rewritten as, with the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-30">
<label>(30)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-30.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-30"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial t}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)\sum_{d=1}^{2} \left[\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x},\,\phi \right)}{\partial H \left(\phi ^{d}\right)}\delta \phi ^{d}\frac{\partial \phi ^{d}}{\partial t}\right] \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y,
 \label{eqn-30}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where the Dirac delta function <inline-formula id="ieqn-82"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-82.png"/><tex-math id="tex-ieqn-82"><![CDATA[$\delta\phi^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the derivative of the Heaviside function <italic>H</italic>(<inline-formula id="ieqn-83"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-83.png"/><tex-math id="tex-ieqn-83"><![CDATA[$\phi^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>), i.e., <inline-formula id="ieqn-84"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-84.png"/><tex-math id="tex-ieqn-84"><![CDATA[$\delta\phi^{d}= \partial H$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>(<inline-formula id="ieqn-85"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-85.png"/><tex-math id="tex-ieqn-85"><![CDATA[$\phi^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>)/<inline-formula id="ieqn-86"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-86.png"/><tex-math id="tex-ieqn-86"><![CDATA[$\partial\phi^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (no sum on <italic>d</italic>).</p>
<p>In a level set-based topology optimization method, the structural design boundary is implicitly represented by the zero-level set of a one-dimensional-higher level set function with the Lipschitz continuity (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-56">56</xref>]). Through differentiating the zero-level set equation <inline-formula id="ieqn-87"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-87.png"/><tex-math id="tex-ieqn-87"><![CDATA[$\phi^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>(<bold>x</bold>, <italic>t</italic>) = 0 with respect to the pseudo-time <italic>t</italic>, the Hamilton-Jacobi partial differential equation (HJ-PDE) can be readily obtained as</p>
<p><disp-formula id="eqn-31">
<label>(31)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-31.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-31"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial \phi ^{k} \left(\mathbf{x},\,\mathrm{t}\right)}{\partial t}-v_{n}^{k} \left| \boldsymbol{\nabla }\phi ^{k}\right| =0, \label{eqn-31}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2207;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <italic>k</italic> = 1 or 2 (with no sum on <italic>k</italic>), <inline-formula id="ieqn-88"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-88.png"/><tex-math id="tex-ieqn-88"><![CDATA[$v_{n}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the normal velocity of the <italic>k</italic>th level set function given by (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-32">
<label>(32)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-32.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-32"><![CDATA[$$\begin{equation}
v_{n}^{k}=\frac{ \left[\boldsymbol{\varphi }^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right]^{T}\dot{\mathbf{m}}^{k} \left(t\right)}{ \left| \left(\nabla \boldsymbol{\varphi }^{k}\right)^{T}\mathbf{m}^{k} \left(t\right)\right| }, \label{eqn-32}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>m</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0307;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2207;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>m</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>in which <inline-formula id="ieqn-89"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-89.png"/><tex-math id="tex-ieqn-89"><![CDATA[$\boldsymbol{\varphi}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>(<bold>x</bold>) is a <inline-formula id="ieqn-90"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-90.png"/><tex-math id="tex-ieqn-90"><![CDATA[$n \times 1$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> column matrix representing the <italic>n</italic> compactly supported radial basis functions <inline-formula id="ieqn-91"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-91.png"/><tex-math id="tex-ieqn-91"><![CDATA[$\varphi _{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<italic>i</italic> = 1, 2,<inline-formula id="ieqn-92"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-92.png"/><tex-math id="tex-ieqn-92"><![CDATA[$\ldots$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <italic>n</italic>) defined over the fixed grid points, and <bold>m</bold><sup><italic>k</italic></sup>(<italic>t</italic>) is a <inline-formula id="ieqn-93"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-93.png"/><tex-math id="tex-ieqn-93"><![CDATA[$n \times 1$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> column matrix representing <italic>n</italic> generalized expansion coefficients <inline-formula id="ieqn-94"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-94.png"/><tex-math id="tex-ieqn-94"><![CDATA[$m_{i}^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> (<italic>i</italic> = 1, 2,<inline-formula id="ieqn-95"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-95.png"/><tex-math id="tex-ieqn-95"><![CDATA[$\ldots$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <italic>n</italic>) serving as design variables. Note that in reaching <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">Eq. (32)</xref> use has been made of the relation</p>
<p><disp-formula id="eqn-33">
<label>(33)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-33.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-33"><![CDATA[$$\begin{equation}
\phi ^{k} \left(\mathbf{x},\,t\right)=\boldsymbol{\varphi }^{k} \left(\mathbf{x}\right)^{T}\mathbf{m}^{k} \left(t\right). \label{eqn-33}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>m</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eqs. (31)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">(32)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-30">Eq. (30)</xref> gives, with the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-34">
<label>(34)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-34.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-34"><![CDATA[$$\begin{align}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial t}& =-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right) \left[\sum_{d=1}^{2}\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x},\,\phi \right)}{\partial H \left(\phi ^{d}\right)}\delta \phi ^{d}\boldsymbol{\varphi }^{d} \left(\mathbf{x}\right)^{T}\dot{\mathbf{m}}^{d} \left(t\right)\right] \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y \nonumber \\
& =-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right) \left[\sum_{d=1}^{2}\sum_{b=1}^{n}\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x},\phi \right)}{\partial H \left(\phi ^{d}\right)}\delta \phi ^{d}\varphi _{b}^{d} \left(\mathbf{x}\right)\frac{\partial m_{b}^{d} \left(t\right)}{\partial t}\right] \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-34}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mtable columnalign="left" columnspacing="1pt"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>m</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x0307;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Alternatively, the derivative of <inline-formula id="ieqn-96"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-96.png"/><tex-math id="tex-ieqn-96"><![CDATA[$C_{ijkl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> can also be expressed as, upon using the chain rule,</p>
<p><disp-formula id="eqn-35">
<label>(35)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-35.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-35"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial t}=\sum_{d=1}^{2}\sum_{b=1}^{n}\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial m_{b}^{d}}\frac{\partial m_{b}^{d} \left(t\right)}{\partial t}. \label{eqn-35}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>By comparing <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-34">Eqs. (34)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-35">(35)</xref>, the derivative of <inline-formula id="ieqn-97"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-97.png"/><tex-math id="tex-ieqn-97"><![CDATA[$C_{ijkl}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with respect to <inline-formula id="ieqn-98"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-98.png"/><tex-math id="tex-ieqn-98"><![CDATA[$m_{b}^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> can be obtained as</p>
<p><disp-formula id="eqn-36">
<label>(36)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-36.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-36"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial m_{b}^{d}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(ij\right)}\right)\frac{\partial C_{pqrs} \left(\mathbf{x},\phi \right)}{\partial H \left(\phi ^{d}\right)}\delta \phi ^{d}\varphi _{b}^{d} \left(\mathbf{x}\right) \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(kl\right)}\right)\,\mathrm{d}Y.
 \label{eqn-36}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>For the case with two level set functions (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>]), the two derivatives can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-36">Eqs. (36)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">(21)</xref> as</p>
<p><disp-formula id="eqn-37">
<label>(37)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-37.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-37"><![CDATA[$$\begin{equation}\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial m_{b}^{1}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(ij\right)}\right) \left[ \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)C_{pqrs}^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)C_{pqrs}^{2}\right] \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\upvarphi _{b}^{1} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{1}\,\mathrm{d}Y,
 \label{eqn-37} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-38">
<label>(38)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-38.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-38"><![CDATA[$$\begin{equation}\frac{\partial C_{ijkl}^{H}}{\partial m_{b}^{2}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\varepsilon _{pq}^{0 \left(ij\right)}-\varepsilon _{pq}^{* \left(ij\right)}\right)H \left(\phi ^{1}\right) \left(C_{pqrs}^{2}-C_{pqrs}^{1}\right) \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\upvarphi _{b}^{2} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{2}\,\mathrm{d}Y.
 \label{eqn-38}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>Similarly, the derivatives of the effective thermal stress tensor can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29">Eqs. (29)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">(21)</xref> as</p>
<p><disp-formula id="eqn-39">
<label>(39)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-39.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-39"><![CDATA[$$\begin{equation}\frac{\partial \beta _{kl}^{H}}{\partial m_{b}^{1}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}\Delta T-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right) \left[ \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)C_{pqrs}^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)C_{pqrs}^{2}\right] \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\upvarphi _{b}^{1} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{1}\,\mathrm{d}Y, \label{eqn-39} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-40">
<label>(40)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-40.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-40"><![CDATA[$$\begin{equation}\frac{\partial \beta _{kl}^{H}}{\partial m_{b}^{2}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y} \left(\alpha _{pq}\Delta T-\varepsilon _{pq}^{\alpha }\right)H \left(\phi ^{1}\right) \left(C_{pqrs}^{2}-C_{pqrs}^{1}\right) \left(\varepsilon _{rs}^{0 \left(kl\right)}-\varepsilon _{rs}^{* \left(kl\right)}\right)\upvarphi _{b}^{2} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{2}\,\mathrm{d}Y. \label{eqn-40}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>For the effective CTE tensor, its derivative with respect to the design variables <inline-formula id="ieqn-99"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-99.png"/><tex-math id="tex-ieqn-99"><![CDATA[$m_{b}^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref> as</p>
<p><disp-formula id="eqn-41">
<label>(41)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-41.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-41"><![CDATA[$$\begin{equation}
\frac{\partial \alpha _{ij}^{H}}{\partial m_{b}^{d}}= \left(C_{ijkl}^{H}\right)^{-1}\frac{\partial \beta _{kl}^{H}}{\partial m_{b}^{d}}+\frac{\partial \left(C_{ijkl}^{H}\right)^{-1}}{\partial m_{b}^{d}}\beta _{kl}^{H}, \label{eqn-41}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <italic>d</italic> = 1, 2 and <italic>b</italic> = 1, 2,<inline-formula id="ieqn-100"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-100.png"/><tex-math id="tex-ieqn-100"><![CDATA[$\ldots$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mo>&#x2026;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <italic>n</italic>.</p>
<p>For a multi-material system with two solid phases and one void phase, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, the volume fractions of the two solid materials can be written as (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>])</p>
<disp-formula id="eqn-42a">
<label>(42a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_100"><![CDATA[$$\begin{align}
&V_{f1}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}H \left(\phi ^{1}\right) \left[1-H \left(\phi ^{2}\right)\right]\,dY, \label{eqn-42a} \\
&V_{f2}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}H \left(\phi ^{1}\right)H \left(\phi ^{2}\right)\,dY, \label{eqn-42b}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_42a" display="block"><mml:mtr><mml:mtd></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-42b">
<label>(42b)</label>
<mml:math id="mml-eqn-42b" display="block"><mml:mtd></mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula><p>where <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>1</sub> and <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>2</sub> are, respectively, the volume fractions of the two solid materials 1 and 2.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Multi-material system with two solid phases and one void phase via two level set functions</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-1.png"/>
</fig>
<p>Then, the sensitivity of each volume fraction with respect to the design variables <inline-formula id="ieqn-101"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-101.png"/><tex-math id="tex-ieqn-101"><![CDATA[$m_{b}^{d}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> can be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-42a">Eqs. (42a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-42b">(42b)</xref> as, with the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref>,
<disp-formula id="eqn-43a">
<label>(43a)</label>
<!--<alternatives><tex-math id="tex-IEq_101"><![CDATA[$$\begin{align}
&\frac{\partial V_{f1}}{\partial m_{i}^{1}}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}\varphi _{i}^{1} \left(\mathbf{x}\right) \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)\delta \phi ^{1}\,\mathrm{d}Y,
 \label{eqn-43a} \\
&\frac{\partial V_{f1}}{\partial m_{i}^{2}}=-\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}\varphi _{i}^{2} \left(\mathbf{x}\right)H \left(\phi ^{1}\right)\delta \phi ^{2}\,\mathrm{d}Y,
 \label{eqn-43b} \\
&\frac{\partial V_{f2}}{\partial m_{i}^{1}}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}H \left(\phi ^{\mathrm{2}}\right)\varphi _{i}^{1} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{1}\,\mathrm{d}Y,
 \label{eqn-43c} \\
&\frac{\partial V_{f2}}{\partial m_{i}^{2}}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\int_{Y}H \left(\phi ^{\mathrm{1}}\right)\varphi _{i}^{2} \left(\mathbf{x}\right)\delta \phi ^{2}\,\mathrm{d}Y.
 \label{eqn-43d}
\end{align}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn_43" display="block"><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula>

<disp-formula id="eqn-43b">
<label>(43b)</label>
<mml:math id="mml-eqn-43b" display="block"><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>


<disp-formula id="eqn-43c">
<label>(43c)</label>
<mml:math id="mml-eqn-43c" display="block"><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mn>2</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>

<disp-formula id="eqn-43d">
<label>(43d)</label>
<mml:math id="mml-eqn-43d" display="block"><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Numerical Results and Discussion</title>
<p>The linear thermoelasticity equations given in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eqs. (14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">(15)</xref> are solved using the finite element method (FEM). A fixed and rectilinear mesh is used in the homogenization-based topology optimization (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-57">57</xref>]), and ANSYS [<xref ref-type="bibr" rid="ref-58">58</xref>] is employed as the computational tool. In addition, the level set knots are positioned at the finite element nodes for simplicity. In the examples included here, an &#x2018;ersatz&#x2019; material model (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-59">59</xref>]) is used to approximate material properties for those elements crossed by the moving level set boundaries, i.e., the zero level set. The volume-averaged elastic stiffness tensor <bold>C</bold><sub><italic>e</italic></sub> and coefficient of thermal expansion tensor <inline-formula id="ieqn-102"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-102.png"/><tex-math id="tex-ieqn-102"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}_{e}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> of the <italic>e</italic>th element can be computed from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eqs. (21)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-22">(22)</xref> through integration over the element domain as</p>
<p><disp-formula id="eqn-44">
<label>(44)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-44.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-44"><![CDATA[$$\begin{equation}\mathbf{C}_{e}=\frac{1}{V_{e}}\int_{{\Omega ^{e}}} \left[H \left(\phi ^{\mathrm{1}}\right) \left(\mathrm{1}-H \left(\phi ^{2}\right)\right)\mathbf{C}^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)\mathbf{C}^{2}\right]\,\mathrm{d\Omega }, \label{eqn-44} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></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:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-45">
<label>(45)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-45.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-45"><![CDATA[$$\begin{equation}\boldsymbol{\alpha }_{e}=\frac{1}{V_{e}}\int_{{\Omega ^{e}}} \left[ \left(1-H \left(\phi ^{2}\right)\right)\boldsymbol{\alpha }^{1}+H \left(\phi ^{2}\right)\boldsymbol{\alpha }^{2}\right]\,\mathrm{d\Omega }, \label{eqn-45}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></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:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="0.3em"/><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <italic>V<sub>e</sub></italic> is the volume (or area in a 2-D case) of the <italic>e</italic>th element.</p>
<p>When the unit cell is discretized into <italic>NE</italic> finite elements, the effective (homogenized) stiffness and thermal stress tensors given in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eqs. (10)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">(11)</xref> can be written as</p>
<p><disp-formula id="eqn-46">
<label>(46)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-46.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-46"><![CDATA[$$\begin{equation}C_{ijkl}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\sum_{e=1}^{NE} \left(\mathbf{u}_{0e}^{ij}-\mathbf{u}_{*e}^{ij}\right)\mathbf{K}_{e} \left(\mathbf{u}_{0e}^{kl}-\mathbf{u}_{*e}^{kl}\right), \label{eqn-46} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-46" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-47">
<label>(47)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-47.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-47"><![CDATA[$$\begin{equation}\beta _{kl}^{H}=\frac{1}{ \left| Y\right| }\sum_{e=1}^{NE} \left(\mathbf{u}_{0e}^{\alpha }-\mathbf{u}_{*e}^{\alpha }\right)\mathbf{K}_{e} \left(\mathbf{u}_{0e}^{kl}-\mathbf{u}_{*e}^{kl}\right), \label{eqn-47}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>&#x2211;</mml:mo> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo lspace='0pt' rspace='0pt'>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where</p>
<p><disp-formula id="eqn-48">
<label>(48)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-48.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-48"><![CDATA[$$\begin{equation}
\mathbf{K}_{e}=\int_{{\Omega ^{e}}}\mathbf{B}^{T}\mathbf{C}_{e}\mathbf{B}\mathrm{d\Omega } \label{eqn-48}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>K</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mo>&#x222B; </mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03A9;</mml:mi></mml:mstyle></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>is the element stiffness matrix, <inline-formula id="ieqn-103"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-103.png"/><tex-math id="tex-ieqn-103"><![CDATA[$\mathbf{B} \left(\mathbf{x}\right)$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>B</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is the strain-displacement matrix, <inline-formula id="ieqn-104"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-104.png"/><tex-math id="tex-ieqn-104"><![CDATA[$\mathbf{u}_{0e}^{ij}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> denotes the element displacement under the applied strain <inline-formula id="ieqn-105"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-105.png"/><tex-math id="tex-ieqn-105"><![CDATA[$\varepsilon _{rs}^{0 \left(ij\right)}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-106"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-106.png"/><tex-math id="tex-ieqn-106"><![CDATA[$\mathbf{u}_{^{*}e}^{ij}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> represents the global displacement vector associated with the element <italic>e</italic> under the mechanical loading obtainable from solving <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref>, and <inline-formula id="ieqn-107"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-107.png"/><tex-math id="tex-ieqn-107"><![CDATA[$\mathbf{u}_{0e}^{\alpha }$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> stands for the element displacement under <inline-formula id="ieqn-108"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-108.png"/><tex-math id="tex-ieqn-108"><![CDATA[$\alpha _{pq}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and includes the components of the global displacement vector under thermal loading that can be computed using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>.</p>
<p>Further, to avoid the numerical singularity, the Heaviside function <italic>H</italic>(<inline-formula id="ieqn-109"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-109.png"/><tex-math id="tex-ieqn-109"><![CDATA[$\phi^{i}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>) and the Dirac delta function <inline-formula id="ieqn-110"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-110.png"/><tex-math id="tex-ieqn-110"><![CDATA[$\delta\phi^{k}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> involved in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-34">Eqs. (34)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-45">(45)</xref> are approximated by the following piece-wise smooth functions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-56">56</xref>]:</p>
<p><disp-formula id="eqn-49">
<label>(49)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-49.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-49"><![CDATA[$$\begin{equation}H \left(\phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right)= \left\{\begin{array}{l}\xi ,\quad \phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)< -\Delta ; \\[8pt] \displaystyle\frac{3 \left(1-\xi \right)}{4} \left[\frac{\phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)}{\Delta }-\displaystyle\frac{1}{3} \left(\displaystyle\frac{\phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)}{\Delta }\right)^{3}\right]+\displaystyle\frac{1+\xi }{2},\quad \left| \phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right| \leq \Delta \\[16pt]
1,\quad \phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)> \Delta , \end{array}\right.; \label{eqn-49} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-49" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-50">
<label>(50)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-50.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-50"><![CDATA[$$\begin{equation}\delta \left(\phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right)= \left\{\begin{array}{l@{\quad}l}\displaystyle\frac{3 \left(1-\xi \right)}{4\Delta } \left[1- \left(\frac{\phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)}{\Delta }\right)^{2}\right], & \left| \phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right| \leq \Delta , \\[16pt]
\gamma & \left| \phi ^{k} \left(\mathbf{x}\right)\right| > \Delta , \end{array}\right. \label{eqn-50}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo></mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula id="ieqn-111"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-111.png"/><tex-math id="tex-ieqn-111"><![CDATA[$\Delta$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is a real positive constant that is usually chosen as 2<inline-formula id="ieqn-112"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-112.png"/><tex-math id="tex-ieqn-112"><![CDATA[$\sim$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mo>~</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>4 times of the background cell size, and <inline-formula id="ieqn-113"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-113.png"/><tex-math id="tex-ieqn-113"><![CDATA[$\xi$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-114"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-114.png"/><tex-math id="tex-ieqn-114"><![CDATA[$\gamma$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are small positive numbers to be selected to ensure that the overall stiffness of the structure is non-singular. In this study, <inline-formula id="ieqn-115"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-115.png"/><tex-math id="tex-ieqn-115"><![CDATA[$\Delta$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mtext>&#x0394;</mml:mtext></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is taken to be 3.5 times of the average grid knot spacing, and <inline-formula id="ieqn-116"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-116.png"/><tex-math id="tex-ieqn-116"><![CDATA[$\xi$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-117"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-117.png"/><tex-math id="tex-ieqn-117"><![CDATA[$\gamma$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> are selected to be 0.0001 and 0.0005, respectively.</p>
<p>The method of moving asymptotes (MMA) is a good optimizer in tackling multiple constraints and normally can achieve a quick convergence [<xref ref-type="bibr" rid="ref-52">52</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-53">53</xref>]. To stabilize the convergence of the optimization algorithm, the moving limit in this algorithm can be adjusted flexibly in the range of 0.05 to 0.1. In addition, the lower and upper bounds of the design variables are chosen to be <inline-formula id="ieqn-118"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-118.png"/><tex-math id="tex-ieqn-118"><![CDATA[$m_{i}^{kL}=\zeta \times \min _{i} \left\{m_{i}^{k, c}\right\}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname"> min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-119"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-119.png"/><tex-math id="tex-ieqn-119"><![CDATA[$m_{i}^{kU}=\zeta \times \max _{i} \left\{m_{i}^{k, c}\right\}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname"> max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, in which <italic>c</italic> denotes the iteration cycle, <inline-formula id="ieqn-120"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-120.png"/><tex-math id="tex-ieqn-120"><![CDATA[$\zeta$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> is a controlling parameter ranging from 1.5 to 2, accommodating different optimization problems. The results are considered convergent when the difference between two successive iterations for the objective function is less than 0.1%.</p>
<sec id="s6_1">
<label>6.1</label>
<title>2-D Examples</title>
<p>To demonstrate the procedure of topology optimization of multiphase thermoelastic metamaterials, two sets of examples are presented in this sub-section under the plane stress conditions: one is to minimize anisotropic CTE, and the other is to minimize isotropic CTE, both with a Poisson&#x2019;s ratio constraint. In all of the numerical examples, the constraint of the effective bulk modulus <italic>K</italic><sup><italic>H</italic></sup> is enforced to ensure the structural load-carrying capability. <italic>K</italic><sup><italic>H</italic></sup> is a measurement of resistance to the volumetric strain, which, for the 2-D case, can be expressed in terms of the effective elasticity tensor components as (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-48">48</xref>])</p>
<p><disp-formula id="eqn-51">
<label>(51)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-51.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-51"><![CDATA[$$\begin{equation}
K^{H}=\frac{1}{4} \left(C_{1111}+C_{1122}+C_{2211}+C_{2222}\right). \label{eqn-51}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1111</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1122</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2211</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2222</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>In all the optimizations demonstrated below, the square design domain is discretized into 60 by 60 square four-node elements, in which four Gaussian quadrature points are distributed in each direction, resulting in a total of 16 integration points in each element. For illustration purposes, material properties used in the simulations here are taken to be <italic>E</italic><sub>1</sub> = 1 GPa, <inline-formula id="ieqn-121"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-121.png"/><tex-math id="tex-ieqn-121"><![CDATA[$\nu_{1}= 0.3$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-122"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-122.png"/><tex-math id="tex-ieqn-122"><![CDATA[$\alpha_{1}= 1 \times 10^{-5}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> 1/K for solid phase 1 (in blue) and <italic>E</italic><sub>2</sub> = 1 GPa, <inline-formula id="ieqn-123"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-123.png"/><tex-math id="tex-ieqn-123"><![CDATA[$\nu_{2}= 0.3$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-124"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-124.png"/><tex-math id="tex-ieqn-124"><![CDATA[$\alpha_{2}= 10 \times 10^{-5}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> 1/K for solid phase 2 (in pink). The volume fractions for the two solid materials are specified as 25% and 10%, respectively, with a tolerance of <inline-formula id="ieqn-125"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-125.png"/><tex-math id="tex-ieqn-125"><![CDATA[$\pm$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>2%. Note that the elastic properties of the two constituent materials are chosen to be the same here to signify the effects of geometry and shape changes in the selected example problems. However, since the optimization method and the algorithm proposed here are mathematical in nature, they can be readily applied to other scenarios, where the two constituent materials have distinct (including high contrast) elastic properties, by simply changing values of the material parameters in the input file. This, of course, will lead to different optimal microstructures for the two-phase metamaterials, depending on the specified constituent properties.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> shows the two initial guesses employed in the topology optimization of the 2-D composites with different material distributions.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Initial distributions of materials in a 2-D two-phase composite: (a) case # 1, (b) case # 2</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-2.png"/>
</fig>
<sec id="s6_1_1">
<label>6.1.1</label>
<title>Minimum Anisotropic CTE with a Poisson&#x2019;s Ratio Constraint</title>
<p>The optimization herein is to minimize the CTE in the horizontal direction <inline-formula id="ieqn-126"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-126.png"/><tex-math id="tex-ieqn-126"><![CDATA[$\alpha _{11}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, with the constraint of a positive, a zero and a negative Poisson&#x2019;s ratio, respectively. The optimization starts from the two initial material distributions illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>. The constraint of 20% of the upper bound on the effective H-S bulk modulus predicted using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18b">Eq. (18b)</xref> is also enforced along with the horizontal and vertical geometrical symmetry.</p>
<p>Optimal microstructures with 3-by-3 unit cells (with the single unit cell denoted by the solid green line) from the initial distribution # 1 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2a</xref> are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Figs. 3a</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-3">3c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-3">3e</xref> with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio being 0.5, 0 and &#x2212;0.5, respectively. Moreover, the final optimized microstructures from the initial distribution # 2 in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2b</xref> are displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4a</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-4">4c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-4">4e</xref>. The plots in the right column of <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Figs. 3</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-4">4</xref> show the iteration history curves of the objective function <inline-formula id="ieqn-127"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-127.png"/><tex-math id="tex-ieqn-127"><![CDATA[$\alpha _{11}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, Poisson&#x2019;s ratio <inline-formula id="ieqn-128"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-128.png"/><tex-math id="tex-ieqn-128"><![CDATA[$\nu$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, and two volume fractions <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>1</sub> and <italic>V</italic><sub><italic>f</italic>2</sub>, respectively. The main results are summarized in <xref ref-type="table" rid="table-1">Tab. 1</xref>, which contains the total number of iterations, minimum <inline-formula id="ieqn-129"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-129.png"/><tex-math id="tex-ieqn-129"><![CDATA[$\alpha _{11}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, effective elastic stiffness tensor and thermal strain tensor for all the optimization examples. It gives a side-by-side comparison of the optimization results based on the two initial distributions. It can be seen that for both of the initial distributions in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, with the decrease of the constrained Poisson&#x2019;s ratio from 0.5 to &#x2212;0.5, the absolute value of the attainable minimum CTE in the <italic>x-</italic>direction decreases under the same bulk modulus constraint.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Minimization of <inline-formula id="ieqn-130"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-130.png"/><tex-math id="tex-ieqn-130"><![CDATA[$\alpha _{11}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with a Poisson&#x2019;s ratio constraint starting from the initial distribution # 1 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2a</xref>: (a) Three-by-three unit cells with PR = 0.5; (b) Iteration history with PR = 0.5 (totaling 108 iterations); (c) Three-by-three unit cells with PR = 0; (d) Iteration history with PR = 0 (totaling 190 iterations); (e) Three-by-three unit cells with PR = &#x2212;0.5; (f) Iteration history with PR = &#x2212;0.5 (totaling 149 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-3.png"/>
</fig>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Minimization of <inline-formula id="ieqn-131"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-131.png"/><tex-math id="tex-ieqn-131"><![CDATA[$\alpha _{11}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with a Poisson&#x2019;s ratio constraint starting from the initial distribution # 2 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2b</xref>: (a) Three-by-three unit cells with PR = 0.5; (b) Iteration history with PR = 0.5 (totaling 65 iterations); (c) Three-by-three unit cells with PR = 0; (d) Iteration history with PR = 0 (totaling 139 iterations); (e) Three-by-three unit cells with PR = &#x2212;0.5; (f) Iteration history with PR = &#x2212;0.5 (totaling 177 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-4.png"/>
</fig>
 
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Minimum <inline-formula id="ieqn-132"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-132.png"/><tex-math id="tex-ieqn-132"><![CDATA[$\alpha_{11}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> with the Poisson&#x2019;s ratio constraint based on the two initial distributions in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref></title>
</caption>

<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th colspan="4">Initial distribution # 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>PR</td>
<td>Iteration #</td>
<td>Minimum <inline-formula id="ieqn-133"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-133.png"/><tex-math id="tex-ieqn-133"><![CDATA[$\alpha_{11}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td>Final effective <bold>C</bold></td>
<td>Final effective <inline-formula id="ieqn-134"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-134.png"/><tex-math id="tex-ieqn-134"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.5</td>
<td>108</td>
<td>&#x2212;8.1359</td>
<td><inline-formula id="ieqn-135"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-135.png"/><tex-math id="tex-ieqn-135"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0302 & 0.0151 & 0 \\[4pt] 0.0151 & 0.0303 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0022 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0302</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0151</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0151</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0303</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0022</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-136"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-136.png"/><tex-math id="tex-ieqn-136"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-8.1359 \\[4pt] 10.9166 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1359</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9166</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0</td>
<td>190</td>
<td>&#x2212;5.7755</td>
<td><inline-formula id="ieqn-137"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-137.png"/><tex-math id="tex-ieqn-137"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0453 & 0 & 0 \\[4pt] 0 & 0.0453 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0009 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0009</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-138"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-138.png"/><tex-math id="tex-ieqn-138"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-5.7755 \\[4pt] 5.7934 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7755</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7934</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>&#x2212;0.5</td>
<td>149</td>
<td>&#x2212;2.1603</td>
<td><inline-formula id="ieqn-139"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-139.png"/><tex-math id="tex-ieqn-139"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0906 & -0.0453 & 0 \\[4pt] -0.0453 & 0.0907 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0021 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0906</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0907</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0021</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-140"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-140.png"/><tex-math id="tex-ieqn-140"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-2.1603 \\[4pt] 2.2479 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1603</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>2479</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td/>
<td colspan="4">Initial distribution # 2</td>
</tr>
<tr>
<td>0.5</td>
<td>65</td>
<td>&#x2212;8.8331</td>
<td><inline-formula id="ieqn-141"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-141.png"/><tex-math id="tex-ieqn-141"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0302 & 0.0151 & 0 \\[4pt] 0.0151 & 0.0304 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0013 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0302</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0151</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0151</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0304</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0013</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-142"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-142.png"/><tex-math id="tex-ieqn-142"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-8.8331 \\[4pt] 8.9196 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8331</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9196</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0</td>
<td>139</td>
<td>&#x2212;4.8103</td>
<td><inline-formula id="ieqn-143"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-143.png"/><tex-math id="tex-ieqn-143"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0454 & 0 & 0 \\[4pt] 0 & 0.0455 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0020 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0454</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0455</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0020</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-144"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-144.png"/><tex-math id="tex-ieqn-144"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-4.8103 \\[4pt] 3.4380 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8103</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4380</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>&#x2212;0.5</td>
<td>177</td>
<td>&#x2212;1.9664</td>
<td><inline-formula id="ieqn-145"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-145.png"/><tex-math id="tex-ieqn-145"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0863 & -0.0432 & 0 \\[4pt] -0.0432 & 0.0863 & 0 \\[4pt]0 & 0 & 0.0021 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0863</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0432</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0432</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0863</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0021</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-146"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-146.png"/><tex-math id="tex-ieqn-146"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-1.9664 \\[4pt] 3.4098 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9664</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4098</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Clearly, the final optimization results based on the two initial guesses differ from each other but do not display huge differences. This is consistent with the well-known fact that final optimal designs based on the conventional level set methods tend to strongly depend on initial guesses, since the Hamilton-Jacobi PDE (see <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eq. (31)</xref>) satisfies a maximum principle which prohibits the hole nucleation inside the material domain (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-60">60</xref>]). That is, without hole nucleation mechanism in the conventional level set methods, the final optimal design will largely depend on the initial guess which dictates the maximum number of holes allowed. In order to mitigate this inherent drawback, one common and simple approach is to choose an initial guess that contains sufficiently many small holes densely distributed in the design domain, which will be allowed to merge and evolve gradually in the optimization process (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-60">60</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-61">61</xref>]). However, this simple approach has its limitations, and more advanced techniques are needed to reduce the dependence of the level set methods on initial guesses. One of such techniques is based on the use of multiquadric radial basis functions (RBFs) to construct implicit level set functions that do not require reinitialization [<xref ref-type="bibr" rid="ref-60">60</xref>]. RBFs have been utilized in the studies on the topology optimization of 2-D mechanical metamaterials based on a parametric level set method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-51">51</xref>] and on homogenization analyses of 3D printable interpenetrating phase composites by a meshfress method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-62">62</xref>].</p>
<p>Moreover, it is observed from the optimal microstructures shown in the left column of <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> that different Poisson&#x2019;s ratio constraints result in different topological features, but similarities exist due to the same initial material distribution. A comparison of the microstructures displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Figs. 3a</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-3">3c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-3">3e</xref> shows that they all possess vertical struts with the higher CTE (in pink) that mainly control the CTE in the horizontal direction. However, the unit cell with the optimal minimum CTE under the constraint of PR = 0.5 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3a</xref> has struts with the lower CTE (in blue) along the vertical direction due to the positive Poisson&#x2019;s ratio constraint. For the optimal microstructure under the constraint of PR = 0 displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3c</xref>, the solid material with the lower CTE (in blue) is mainly concentrated at the center of the unit cell, while most of the vertical struts comprise of the material with the higher CTE (in pink). In addition, for the optimal microstructure with the constraint of PR = &#x2212;0.5 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3e</xref>, an anti-chiral structure, which is known to be a main mechanism responsible for the negative Poisson&#x2019;s ratio, is clearly seen. Furthermore, through comparing all the optimized results displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Figs. 3</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-4">4</xref> based on the two initial distributions # 1 and # 2 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, it is found that the optimized microstructures with the constraint of PR = 0.5 look almost the same. However, for the other two cases with PR = 0 and PR = &#x2212;0.5, the final optimal configurations resulting from the two different initial distributions display distinct topologies.</p>
<p>Clearly, <xref ref-type="table" rid="table-1">Tab. 1</xref> shows that the optimized 2-D composite in each case exhibits anisotropic CTEs and the cubic (for PR = 0.5 and &#x2212;0.5) or isotropic (for PR = 0) elastic symmetry.</p>
</sec>
<sec id="s6_1_2">
<label>6.1.2</label>
<title>Minimum Isotropic CTE with a Poisson&#x2019;s Ratio Constraint</title>
<p>The goal of this sub-section is to design microstructures with minimized isotropic CTEs and desirable Poisson&#x2019;s ratios for the given horizontal and vertical symmetry. All the microstructures optimized herein possess cubic symmetry (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>]).</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref> show the optimal microstructures with 3-by-3 unit cells (with the single unit cell denoted by the solid green line) under different bulk modulus constraints, i.e., 15%, 20%, 25%, 30%, 35% and 40% of the H-R upper bound on the effective bulk modulus given by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18b">Eq. (18b)</xref>, and the zero Poisson&#x2019;s ratio constraint. The plots displayed in the right column of <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref> show the iteration history curves of the CTE, Poisson&#x2019;s ratio and two volume fractions based on the initial material distribution # 1 displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2a</xref>.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Minimization of isotropic CTE with the constraints of Poisson&#x2019;s ratio = 0 and specified value of the bulk modulus based on the initial distribution # 1 in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>: (a), (b) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 15% and the iteration history (118 iterations); (c), (d) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 20% and the iteration history (189 iterations); (e), (f) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 25% and the iteration history (176 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-5.png"/>
</fig>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Minimization of isotropic CTE with the constraints of Poisson&#x2019;s ratio = 0 and specified value of the bulk modulus based on the initial distribution # 1 in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>: (a), (b) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 30% and the iteration history (117 iterations); (c), (d) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 35% and the iteration history (249 iterations); (e), (f) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 40% and the iteration history (302 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-6.png"/>
</fig>
 
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Minimum CTE with the constraints of different bulk modulus values and zero Poisson&#x2019;s ratio from the initial distribution # 1 in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2a</xref></title>
</caption>

<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th><inline-formula id="ieqn-147"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-147.png"/><tex-math id="tex-ieqn-147"><![CDATA[$\kappa _{2D}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></th>
<th>Iteration #</th>
<th>Final effective <bold>C</bold></th>
<th>Final effective <inline-formula id="ieqn-148"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-148.png"/><tex-math id="tex-ieqn-148"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>0.15</td>
<td>118</td>
<td><inline-formula id="ieqn-149"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-149.png"/><tex-math id="tex-ieqn-149"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0364 & -0.0020 & 0 \\[4pt] -0.0020 & 0.0363 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0009 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0364</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0020</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0020</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0363</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0009</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-150"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-150.png"/><tex-math id="tex-ieqn-150"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-2.4726 \\[4pt] -2.4836 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4726</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4836</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.20</td>
<td>189</td>
<td><inline-formula id="ieqn-151"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-151.png"/><tex-math id="tex-ieqn-151"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0453 & 0 & 0 \\[4pt] 0 & 0.0454 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0010 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0454</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0010</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-152"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-152.png"/><tex-math id="tex-ieqn-152"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-1.8913 \\[4pt] -1.8870 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8913</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8870</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.25</td>
<td>176</td>
<td><inline-formula id="ieqn-153"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-153.png"/><tex-math id="tex-ieqn-153"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0567 & 0 & 0 \\[4pt] 0 & 0.0566 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0023 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0567</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0566</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0023</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-154"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-154.png"/><tex-math id="tex-ieqn-154"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-1.7262 \\[4pt] -1.7264 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7262</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7264</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.30</td>
<td>117</td>
<td><inline-formula id="ieqn-155"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-155.png"/><tex-math id="tex-ieqn-155"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0679 & 0.0001 & 0 \\[4pt] 0.0001 & 0.0679 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0020 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0679</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0001</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0001</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0679</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0020</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-156"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-156.png"/><tex-math id="tex-ieqn-156"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.9684 \\[4pt] -0.9702 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9684</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9702</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.35</td>
<td>249</td>
<td><inline-formula id="ieqn-157"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-157.png"/><tex-math id="tex-ieqn-157"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0860 & -0.0066 & 0 \\[4pt] -0.0066 & 0.0860 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0023 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0860</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0066</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0066</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0860</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0023</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-158"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-158.png"/><tex-math id="tex-ieqn-158"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.4842 \\[4pt] -0.4823 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4842</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4823</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.40</td>
<td>302</td>
<td><inline-formula id="ieqn-159"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-159.png"/><tex-math id="tex-ieqn-159"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0927 & -0.0021 & 0 \\[4pt] -0.0021 & 0.0928 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0021 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0927</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0021</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0021</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0928</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0021</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-160"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-160.png"/><tex-math id="tex-ieqn-160"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.3482 \\[4pt] -0.3487 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3482</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3487</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>It is clearly observed from <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref> that the optimized microstructures are different from each other, even though there is a detectable similarity due to the same initial distribution. Also, the microstructures with the 15%, 20% and 30% of the H-R upper bound of the effective bulk modulus displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5a</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-5">5c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6a</xref> exhibit almost the same topological features but with different unit cell sizes. In addition, for the microstructures with the 25%, 35% and 40% of the H-R upper bound of the effective bulk modulus constraints displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5e</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6e</xref>, they look slightly topologically similar but still show a significant difference. The main findings from the optimization results shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref> are summarized in <xref ref-type="table" rid="table-2">Tab. 2</xref>, which gives a clear picture of how the effective thermoelastic properties of the optimized microstructure change with the bulk modulus constraint. It is observed that the obtained minimum isotropic CTE increases with the increase of the bulk modulus, which agrees with what is analytically predicted using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16a">Eq. (16a)</xref>.</p>
<p>Clearly, <xref ref-type="table" rid="table-2">Tab. 2</xref> shows that the topologically optimized 2-D three-phase composite in each case exhibits isotropic CTEs and the cubic or isotropic symmetry in the elastic stiffness constants.</p>
<p>In addition to the topology optimization for minimizing CTE with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0, simulations with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5 are performed with the constraints of 15%, 20% and 25% of the H-R upper bounds on the effective bulk modulus given by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18b">Eq. (18b)</xref>, respectively.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label> 
<caption>
<title>Minimization of isotropic CTE with the constraints of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5 and specified value of the bulk modulus based on the initial distribution # 1 displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>: (a), (b) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 15% and the iteration history (179 iterations); (c), (d) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 20% and the iteration history (157 iterations); (e), (f) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 25% and the iteration history (241 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-7.png"/>
</fig>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Minimization of isotropic CTE with the constraints of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5 and specified value of the bulk modulus based on the initial distribution # 2 shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>: (a), (b) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 15% and the iteration history (168 iterations); (c), (d) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 20% and the iteration history (155 iterations); (e), (f) Three-by-three unit cells with the bulk modulus = 25% and the iteration history (182 iterations) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-8.png"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-7">Figs. 7</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-8">8</xref> show the optimal results obtained from the two initial distributions displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>. In all six numerical examples, the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5 is well maintained. Also, it is seen that the two different initial distributions lead to different microstructures with distinct minimized isotropic CTEs. For the 15% bulk modulus constraint, a minimum of &#x2212;1.442 is obtained from the initial distribution # 1 and of &#x2212;1.959 from the initial distribution # 2. Further, the optimal microstructures from the initial distribution # 1 contain an anti-chiral unit that is mainly responsible for the negative Poisson&#x2019;s ratio, while those from the initial configuration # 2 possess a re-entrant structure, leading to a negative Poisson&#x2019;s ratio of &#x2212;0.5. The chirality and re-entrant structures are two well-known deformation mechanisms that can bring about negative Poisson&#x2019;s ratios. Such observations are also true for the optimization with the 20% and 25% bulk modulus constraints, respectively.</p>
<p>The optimization results displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Figs. 7</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-8">8</xref> are summarized in <xref ref-type="table" rid="table-3">Tab. 3</xref>, which includes the total number of iterations, the effective elastic stiffness tensor, and the coefficient of thermal expansion tensor. It is seen that the two different initial configurations lead to different optimization results, but no huge derivation exists. Moreover, the variation trend of the minimized CTE with respect to the bulk modulus constraint is the same: it increases with the increase of the bulk modulus in both cases.</p>
<p>Clearly, <xref ref-type="table" rid="table-3">Tab. 3</xref> shows that the topologically optimized 2-D three-phase composite in each case exhibits isotropic CTEs and the cubic symmetry in the elastic stiffness constants.</p>
<table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>Minimum CTE with the constraints of different bulk modulus values and Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5 based on the two initial distributions displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref></title>
</caption>

<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th colspan="3">Initial distribution # 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-161"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-161.png"/><tex-math id="tex-ieqn-161"><![CDATA[$\kappa _{2D}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td>Iteration #</td>
<td>Final effective <bold>C</bold></td>
<td>Final effective <inline-formula id="ieqn-162"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-162.png"/><tex-math id="tex-ieqn-162"><![CDATA[$\boldsymbol{\alpha}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.15</td>
<td>179</td>
<td><inline-formula id="ieqn-163"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-163.png"/><tex-math id="tex-ieqn-163"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0679 & -0.0339 & 0 \\[4pt] -0.0339 & 0.0680 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0014 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0679</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0339</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0339</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0680</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0014</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-164"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-164.png"/><tex-math id="tex-ieqn-164"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-1.4420 \\[4pt] -1.4415 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4420</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4415</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.20</td>
<td>157</td>
<td><inline-formula id="ieqn-165"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-165.png"/><tex-math id="tex-ieqn-165"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0906 & -0.0453 & 0 \\[4pt] -0.0453 & 0.0907 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0023 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0906</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0453</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0907</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0023</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-166"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-166.png"/><tex-math id="tex-ieqn-166"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.6317 \\[4pt] -0.6322 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6317</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6322</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.25</td>
<td>241</td>
<td><inline-formula id="ieqn-167"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-167.png"/><tex-math id="tex-ieqn-167"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0977 & -0.0489 & 0 \\[4pt] -0.0489 & 0.0978 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0019 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0977</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0489</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0489</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0978</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0019</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-168"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-168.png"/><tex-math id="tex-ieqn-168"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.0852 \\[4pt] -0.0852 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0852</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0852</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td/>
<td colspan="3">Initial distribution # 2</td>
</tr>
<tr>
<td>0.15</td>
<td>168</td>
<td><inline-formula id="ieqn-169"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-169.png"/><tex-math id="tex-ieqn-169"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0679 & -0.0339 & 0 \\[4pt] -0.0339 & 0.0680 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0013 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0679</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0339</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0339</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0680</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0013</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-170"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-170.png"/><tex-math id="tex-ieqn-170"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-1.9590 \\[4pt] -1.9565 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9590</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9565</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.20</td>
<td>155</td>
<td><inline-formula id="ieqn-171"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-171.png"/><tex-math id="tex-ieqn-171"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0906 & -0.0452 & 0 \\[4pt] -0.0452 & 0.0909 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0028 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0906</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0452</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0452</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0909</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0028</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-172"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-172.png"/><tex-math id="tex-ieqn-172"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.3902 \\[4pt] -0.3877 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3902</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3877</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>0.25</td>
<td>182</td>
<td><inline-formula id="ieqn-173"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-173.png"/><tex-math id="tex-ieqn-173"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l}0.0950 & -0.0475 & 0 \\[4pt] -0.0475 & 0.0951 & 0 \\[4pt] 0 & 0 & 0.0035 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0950</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0475</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0475</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0951</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0035</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-174"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-174.png"/><tex-math id="tex-ieqn-174"><![CDATA[$ \left[\begin{array}{l}-0.0992 \\[4pt] -0.0995 \\[4pt] 0 \end{array}\right]$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0992</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0995</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The effective properties of the 2-D composites with the optimal topologies shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-8">8</xref> are displayed as three types of markers in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>, in which the upper and lower bounds on the effective isotropic CTEs are plotted against the effective bulk modulus obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16a">Eqs. (16a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16b">(16b)</xref>. A total of 12 examples are included with the final optimal unit cells labeled from 1 to 12. As displayed at the right upper corner of the graph, all the numerical values of the effective CTE are close to the lower bound. However, through a close-up observation from <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>, it is seen that the effective CTE values for the optimized microstructures with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0 are much closer to the lower bound than those with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.5.</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>Effective isotropic CTE obtained from the topology optimization compared with the upper and lower bounds of the effective CTE based on <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16a">Eqs. (16a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16b">(16b)</xref> for the 12 sample cases with the indicated optimal unit cells initially shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Figs. 5</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-8">8</xref></title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-9.png"/>
</fig>
<p>The results from Sections 6.1.1 and 6.1.2 reveal that Poisson&#x2019;s ratio constraints can largely affect the extreme values of the effective CTE of a metamaterial with an optimized microstructure. The constraint of a positive Poisson&#x2019;s ratio can lead to a negative CTE with a much larger magnitude than that of a negative Poisson&#x2019;s ratio can. Therefore, optimal designs need to be performed to obtain metamaterials with desired negative CTEs and negative Poisson&#x2019;s ratios.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6_2">
<label>6.2</label>
<title>3-D Examples</title>
<p>Similar to the 2-D multi-material and multi-objective optimizations described in Section 6.1, 3-D optimizations are performed in this sub-section. The design domain consists of <inline-formula id="ieqn-175"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-175.png"/><tex-math id="tex-ieqn-175"><![CDATA[$24 \times 24 \times 24$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:mn>24</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>24</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>24</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> 8-node brick elements with three Gaussian quadrature points distributed in each direction, resulting in a total of 27 integration points in each element. The initial 3-D design with two solid materials and one void phase is displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>. For simplicity, the properties are taken to be <italic>E</italic><sub>1</sub> = 1 GPa, <inline-formula id="ieqn-176"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-176.png"/><tex-math id="tex-ieqn-176"><![CDATA[$\nu_{1}= 0.3$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-177"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-177.png"/><tex-math id="tex-ieqn-177"><![CDATA[$\alpha_{1}= 1 \times 10^{-5}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> 1/K for material 1 (in blue), and <italic>E</italic><sub>2</sub> = 1 GPa, <inline-formula id="ieqn-178"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-178.png"/><tex-math id="tex-ieqn-178"><![CDATA[$\nu_{2}= 0.3$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-179"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-179.png"/><tex-math id="tex-ieqn-179"><![CDATA[$\alpha_{2}= 10 \times 10^{-5}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> 1/K for material 2 (in pink). To demonstrate the design procedures for topology optimization of 3-D multi-phase thermoelastic metamaterials, two examples are presented here: one is to minimize anisotropic CTE, and the other is to minimize isotropic CTE. Both cases are constrained with a prescribed value of the effective Poisson&#x2019;s ratio. In all the numerical examples shown below, constraints on the volume fractions are enforced along with material cubic symmetry conditions. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-46">Eqs. (46)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-47">(47)</xref> are used to obtain the optimal effective elastic stiffness and CTE tensors for the 3-D examples presented herein.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>Initial material distribution for the 3-D case</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-10.png"/>
</fig>
<sec id="s6_2_1">
<label>6.2.1</label>
<title>Minimum Anisotropic CTE with a Poisson&#x2019;s Ratio Constraint</title>
<p>The first case is to obtain 3-D microstructures with the minimum <inline-formula id="ieqn-180"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-180.png"/><tex-math id="tex-ieqn-180"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> under the constraint of Poisson&#x2019;s ratio being 0.1, 0 or &#x2212;0.1. The volume fractions for the two solid materials are constrained to be 15% and 10%, respectively, with a tolerance of <inline-formula id="ieqn-181"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-181.png"/><tex-math id="tex-ieqn-181"><![CDATA[$\pm$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>2%.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11a</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12a</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13a</xref> display the final optimal unit cells showing distributions of two solid phases. The <inline-formula id="ieqn-182"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-182.png"/><tex-math id="tex-ieqn-182"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> unit cells are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11b</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12b</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13b</xref>. In addition, <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11c</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-11">11e</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12c</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-12">12e</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13c</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13e</xref> display microstructural details from the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>y</italic>, <italic>x</italic> &#x2212; <italic>z</italic> and <italic>y</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section views, respectively.</p>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11f</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-11">11h</xref>, the convergence is achieved after 116 iterations, giving a minimum <inline-formula id="ieqn-183"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-183.png"/><tex-math id="tex-ieqn-183"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> of &#x2212;3.4584 and a Poisson&#x2019;s ratio of 0.10177 that is very close to the constrained value of 0.1 in the topology optimization problem. Furthermore, the two volume fraction constraints are well maintained: one is 0.1499, and the other is 0.099, which are almost the same as the pre-defined volume fractions of 0.15 and 0.1.</p>
<p>Similarly, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Figs. 12f</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-12">12h</xref> show that the convergence is reached after 96 iterations, yielding a minimum <inline-formula id="ieqn-184"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-184.png"/><tex-math id="tex-ieqn-184"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> of &#x2212;2.7479 and a Poisson&#x2019;s ratio of 0.000599, which is very close to the constrained value of zero Poisson&#x2019;s ratio in the topology optimization. Moreover, the two volume fraction constraints are well maintained: one is 0.14997, and the other is 0.090172, which are almost the same as the pre-defined volume fractions of 0.15 and 0.1, with a tolerance of <inline-formula id="ieqn-185"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-185.png"/><tex-math id="tex-ieqn-185"><![CDATA[$\pm$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>2%.</p>
<p>For the optimization with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.1, it can be observed from <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Figs. 13f</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13h</xref> that the convergence is achieved after 195 iterations, giving a minimum <inline-formula id="ieqn-186"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-186.png"/><tex-math id="tex-ieqn-186"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> of &#x2212;2.9405 and a Poisson&#x2019;s ratio of &#x2212;0.10213 which is quite close to the constrained value of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.1 in the topology optimization. Also, the two volume fraction constraints are well maintained: one is 0.14795, and the other is 0.080033, which are very close to the pre-defined volume fractions of 0.15 and 0.1, with a tolerance of <inline-formula id="ieqn-187"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-187.png"/><tex-math id="tex-ieqn-187"><![CDATA[$\pm$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>2%.</p>
<p>Note that the magnitude of <inline-formula id="ieqn-188"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-188.png"/><tex-math id="tex-ieqn-188"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}=$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> &#x2212;3.4584 obtained with the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0.1 is larger than that of <inline-formula id="ieqn-189"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-189.png"/><tex-math id="tex-ieqn-189"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}= - 2.7479$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7479</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> under the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0, which is smaller than the magnitude of <inline-formula id="ieqn-190"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-190.png"/><tex-math id="tex-ieqn-190"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}= -2.9405$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9405</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> obtained with Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.1. This indicates that the Poisson&#x2019;s ratio and CTE are not directly related and can therefore be independently varied without affecting each another, which agrees with what was found in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>].</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>Minimization of <inline-formula id="ieqn-191"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-191.png"/><tex-math id="tex-ieqn-191"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> under the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0.1: (a) Optimal unit cell; (b) Periodic microstructures with <inline-formula id="ieqn-192"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-192.png"/><tex-math id="tex-ieqn-192"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> unit cells; (c) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>y</italic> cross section view; (d) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (e) Unit cell in the <italic>y</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (f) Iteration history of CTE in the <italic>y-</italic>direction; (g) Iteration history of Poisson&#x2019;s ratio; (h) Iteration history of two volume fraction constraints (total 116 iterations to achieve convergence)</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-11.png"/>
</fig>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Minimization of <inline-formula id="ieqn-193"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-193.png"/><tex-math id="tex-ieqn-193"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> under the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = 0: (a) Optimal unit cell; (b) Periodic microstructures with <inline-formula id="ieqn-194"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-194.png"/><tex-math id="tex-ieqn-194"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> unit cells; (c) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>y</italic> cross section view; (d) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (e) Unit cell in the <italic>y</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (f) Iteration history of CTE in the <italic>y-</italic>direction; (g) Iteration history of Poisson&#x2019;s ratio; (h) Iteration history of two volume fraction constraints (total 96 iterations to achieve convergence)</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-12.png"/>
</fig>
<fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Minimization of <inline-formula id="ieqn-195"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-195.png"/><tex-math id="tex-ieqn-195"><![CDATA[$\alpha _{22}^{H}$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn> </mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> under the constraint of Poisson&#x2019;s ratio = &#x2212;0.1: (a) Optimal unit cell; (b) Periodic microstructures with <inline-formula id="ieqn-196"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-196.png"/><tex-math id="tex-ieqn-196"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> unit cells; (c) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>y</italic> cross section view; (d) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (e) Unit cell in the <italic>y</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (f) Iteration history of CTE in the <italic>y-</italic>direction; (g) Iteration history of Poisson&#x2019;s ratio; (h) Iteration history of two volume fraction constraints (total 195 iterations to achieve convergence) 
 
</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-13.png"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13</xref> show 3-D optimal microstructures with complex topologies achieved through the optimization evolution process originated from the initial design illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>. This indicates that the approach employed in the current study is capable of merging and creating holes without implementing topological derivatives [<xref ref-type="bibr" rid="ref-63">63</xref>] or other techniques. Also, it is seen that the present approach can integrate shape and topology optimizations, in which the first few iterations are used to quickly achieve the optimal topology and the rest of iterations before the final convergence are mainly serving to complete the shape optimization.</p>
<p>The effective elastic stiffness and CTE tensors for the three optimal microstructures with different Poisson&#x2019;s ratio constraints shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13</xref> are, respectively, obtained as</p>
<p><disp-formula id="eqn-52">
<label>(52)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-52.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-52"><![CDATA[$$\begin{equation}\mathbf{C}^{\mathrm{H}}= \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l}0.0506 & 0.0057 & 0.0056 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0.0057 & 0.0502 & 0.0056 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0.0056 & 0.0056 & 0.0500 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0.0133 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0132 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0132 \end{array}\right], \quad \boldsymbol{\alpha }^{\mathrm{H }}= \left[\begin{array}{l}7.1380 \\[5pt] -3.4584 \\[5pt] 7.3460 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \end{array}\right]; \label{eqn-52} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-52" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0506</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0057</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0056</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0057</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0502</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0056</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0056</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0056</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0500</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0133</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0132</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0132</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1380</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4584</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3460</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-53">
<label>(53)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-53.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-53"><![CDATA[$$\begin{equation}\mathbf{C}^{\mathrm{H}}= \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l}0.0502 & 0.0000 & 0.0001 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0.0000 & 0.0500 & 0.0002 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0.0001 & 0.0002 & 0.0500 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0.0058 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0057 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0058 \end{array}\right],\quad \boldsymbol{\alpha }^{\mathrm{H }}= \left[\begin{array}{l}6.4058 \\[5pt] -2.7476 \\[5pt] 5.9566 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \end{array}\right]; \label{eqn-53} \end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-53" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0502</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0000</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0001</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0000</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0500</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0002</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0001</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0002</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0500</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0058</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0057</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0058</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4058</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7476</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9566</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<disp-formula id="eqn-54">
<label>(54)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-54.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-54"><![CDATA[$$\begin{equation}\mathbf{C}^{\mathrm{H}}= \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l}0.050 & -0.0046 & -0.0045 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] -0.0046 & 0.0500 & -0.0046 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] -0.0045 & -0.0046 & 0.0500 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0.0043 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0042 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0043 \end{array}\right],\quad \boldsymbol{\alpha }^{\mathrm{H }}= \left[\begin{array}{l}4.3768 \\[5pt] -2.9405 \\[5pt] 3.2009 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \end{array}\right]. \label{eqn-54}\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-54" display="block"><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>050</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0046</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0045</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0046</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0500</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0046</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0045</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0046</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0500</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0043</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0042</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0043</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3768</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9405</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>2009</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow></mml:mrow></mml:math>
<!--</alternatives>--></disp-formula>
<p>Clearly, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-52">Eqs. (52)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-54">(54)</xref> show that the topologically optimized 3-D three-phase composite in each case exhibits anisotropic CTEs and elastic stiffness constants that satisfy the cubic symmetry.</p>
<p>It should be pointed out that the optimal geometrical boundaries shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13</xref> appear to have serrated shapes that are not sufficiently smooth. The reason for this is that the total number of elements used here is 13824 in a <inline-formula id="ieqn-197"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-197.png"/><tex-math id="tex-ieqn-197"><![CDATA[$24 \times 24 \times 24$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:mn>24</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>24</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>24</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> mesh, which is not fine enough to produce smooth boundaries but remains a limitation of the current study for the 3-D three-phase metamaterials. In addition, it can be observed that the same initial structures could lead to distinctive designs if they have been given different constraints even with the same objective function. Alternatively, the different initial distributions lead to different final optimal microstructures owing to the highly non-convex problems with multiple local regions existing in the current gradient-based optimization enabled by the PLSM (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-60">60</xref>]).</p>
<p>From the unit cells displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-13">13</xref>, it is not easy to tell underlying mechanisms that may lead to the desired negative CTE and Poisson&#x2019;s ratio, unlike that for the 2-D cases described in Section 6.1. This is a feature inherent in topology optimization that could result in designs unattainable through conventional thinking.</p>
</sec>
<sec id="s6_2_2">
<label>6.2.2</label>
<title>Minimum Isotropic CTE with a Poisson&#x2019;s Ratio Constraint</title>
<p>The goal here is to obtain the minimum isotropic CTE under the constraints of Poisson&#x2019;s ratio being 0 and the volume fractions of the two solid materials at 15% and 6%, respectively, with a tolerance of <inline-formula id="ieqn-198"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-198.png"/><tex-math id="tex-ieqn-198"><![CDATA[$\pm$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>2%.</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Minimization of isotropic CTE under the zero Poisson&#x2019;s ratio constraint: (a) Optimal unit cell; (b) Periodic microstructures with <inline-formula id="ieqn-199"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-199.png"/><tex-math id="tex-ieqn-199"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> unit cells; (c) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>y</italic> cross section view; (d) Unit cell in the <italic>x</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (e) Unit cell in the <italic>y</italic> &#x2212; <italic>z</italic> cross section view; (f) Iteration history of CTE; (g) Iteration history of Poisson&#x2019;s ratio; (h) Iteration history of the two volume fraction constraints (totalling 210 iterations to achieve convergence)</title>
</caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_15688-fig-14.png"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14a</xref> displays the optimal unit cell, and <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14b</xref> shows <inline-formula id="ieqn-200"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-200.png"/><tex-math id="tex-ieqn-200"><![CDATA[$2 \times 2 \times 2$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula> periodic unit cells. It can be seen that very clear and distinct material interfaces are formed between the two solid phases that can be reconstructed with ease from the mesh generated in topology optimization. In addition, <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Figs. 14c</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-14">14e</xref> provide the 2-D cross-sectional views from three perspectives that further demonstrate fine geometrical features obtained from topology optimization. Furthermore, <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Figs. 14f</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-14">14h</xref> give the convergence plots for the effective CTE, Poisson&#x2019;s ratio, and two volume fraction constraints, in which 210 iterations are performed to achieve the final results with the CTE being &#x2212;0.69308, Poisson&#x2019;s ratio &#x2212;0.0411 and two volume fractions 0.13005 and 0.04, respectively. For the solid material with the higher CTE displayed in pink, the volume fraction first jumps to about 90% and then gradually drops down to satisfy the volume fraction constraint in the topology optimization. On the other hand, for the solid phase with the lower CTE (marked in blue), it drops from the initial volume fraction of 48% down to near zero and then increases to achieve the required volume fraction. Moreover, the optimization approaches adopted here work pretty well concerning the hole nucleation and merging.</p>
<p>The effective elastic stiffness and CTE tensors for the optimal microstructure generated in this case are obtained as</p>
<p><disp-formula id="eqn-55">
<label>(55)</label>
<!--<alternatives><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="eqn-55.png"/>-->
<!--<tex-math id="tex-eqn-55"><![CDATA[$$\begin{equation}
\mathbf{C}^{\mathrm{H}}= \left[\begin{array}{l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l@{\quad}l}0.0199 & -0.0008 & -0.0007 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] -0.0008 & 0.0203 & -0.0006 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] -0.0007 & -0.0006 & 0.0202 & 0 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0.0009 & 0 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0010 & 0 \\[5pt] 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0.0009 \end{array}\right],\quad \boldsymbol{\alpha }^{\mathrm{H }}= \left[\begin{array}{l}-0.6931 \\[5pt] -0.6755 \\[5pt] -0.6824 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \\[5pt] 0 \end{array}\right]. \label{eqn-55}
\end{equation}$$]]></tex-math>-->
<mml:math id="mml-eqn-55" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>C</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0199</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0008</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0007</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0008</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0203</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0006</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0007</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0006</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0202</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0009</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0010</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mspace width="1em"/></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0009</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6931</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6755</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6824</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="left"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr> </mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><!--</alternatives>--></disp-formula></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-55">Eq. (55)</xref>, it is seen that the topologically optimized 3-D three-phase composite in this case shows an isotropic CTE and elastic stiffness constants satisfying the cubic symmetry.</p>
<p>Finally, it should be mentioned that fabricating the 3-D multi-phase metamaterial samples discussed here by using traditional subtractive manufacturing techniques is very challenging. However, additive manufacturing methods can be employed to print these optimally designed composite structures (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-64">64</xref>]). Topologically optimized 2-D multiphase polymeric metamaterials with a tunable CTE have been produced by additive manufacturing through an Objet Connex 500 3D printer (e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>]). </p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s7">
<label>7</label>
<title>Conclusion</title>
<p>A parametric level set-based topology optimization method is used to design 2-D and 3-D multiphase thermoelastic metamaterials with minimized anisotropic and isotropic CTEs and prescribed values of Poisson&#x2019;s ratio under the constraints of specified effective bulk modulus, volume fractions and material symmetry. The effective properties of the multiphase metamaterials are predicted using an asymptotic homogenization method. The <inline-formula id="ieqn-201"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-201.png"/><tex-math id="tex-ieqn-201"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint multi-objective optimization method is utilized in the formulation, and the method of moving asymptotes is employed to solve the optimization problems.</p>
<p>In each design example considered, two solid materials and one void phase are included. It is found that optimal 2-D and 3-D microstructures can be generated by applying the newly proposed approach. Novel structures are obtained through the current topology optimization approach, which are difficult to achieve using conventional (heuristic) methods. In addition, the new approach can lead to topologically optimized metamaterials with a positive, negative or zero Poisson&#x2019;s ratio and a positive, negative or zero CTE.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>The authors gratefully thank Prof. Krister Svanberg for providing his MMA codes to us. We also would like to thank two anonymous reviewers for their encouragement and helpful comments on an earlier version of the paper.</p></ack>
<fn-group><fn fn-type="other"><p><bold>Funding Statement:</bold> The authors received no specific funding for this study.</p></fn>
<fn fn-type="conflict"><p><bold>Conflicts of Interest:</bold> The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p></fn></fn-group>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ha</surname>, <given-names>C. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hestekin</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>J. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Plesha</surname>, <given-names>M. E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lakes</surname>, <given-names>R. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Controllable thermal expansion of large magnitude in chiral negative Poisson&#x2019;s ratio lattices</article-title>. <source>Physica Status Solidi (B)</source><italic>,</italic> <volume>252</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>1431</fpage>&#x2013;<lpage>1434</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/pssb.201552158</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pasini</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Structurally efficient three-dimensional metamaterials with controllable thermal expansion</article-title>. <source>Scientific Reports</source><italic>,</italic> <volume>6</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>34924</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep34924</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zadpoor</surname>, <given-names>A. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Mechanical meta-materials</article-title>. <source>Materials Horizons</source><italic>,</italic> <volume>3</volume><italic>(</italic><issue>5</issue><italic>),</italic> <fpage>371</fpage>&#x2013;<lpage>381</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C6MH00065G</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hewage</surname>, <given-names>T. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Alderson</surname>, <given-names>K. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Alderson</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Scarpa</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Double-negative mechanical metamaterials displaying simultaneous negative stiffness and negative Poisson&#x2019;s ratio properties</article-title>. <source>Advanced Materials</source><italic>,</italic> <volume>28</volume><italic>(</italic><issue>46</issue><italic>),</italic> <fpage>10323</fpage>&#x2013;<lpage>10332</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/adma.201603959</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>Y. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>T. T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Scarpa</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>L. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Lattice metamaterials with mechanically tunable Poisson&#x2019;s ratio for vibration control</article-title>. <source>Physical Review Applied</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>24012</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevApplied.7.024012</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ren</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Das</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tran</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ngo</surname>, <given-names>T. D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xie</surname>, <given-names>Y. M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Auxetic metamaterials and structures: A review</article-title>. <source>Smart Materials and Structures</source><italic>,</italic> <volume>27</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>023001</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-665X/aaa61c</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liao</surname>, <given-names>Z. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shi</surname>, <given-names>S. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Z. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Poh</surname>, <given-names>L. H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Data-driven structural design optimization for petal-shaped auxetics using isogeometric analysis</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>122</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>433</fpage>&#x2013;<lpage>458</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2020.08680</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lakes</surname>, <given-names>R. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Cellular solids with tunable positive or negative thermal expansion of unbounded magnitude</article-title>. <source>Applied Physics Letters</source><italic>,</italic> <volume>90</volume><italic>(</italic><issue>22</issue><italic>),</italic> <fpage>221905</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2743951</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Steeves</surname>, <given-names>C. A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lucato</surname>, <given-names>S. L. D. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>He</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Antinucci</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hutchinson</surname>, <given-names>J. W.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Concepts for structurally robust materials that combine low thermal expansion with high stiffness</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>55</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>1803</fpage>&#x2013;<lpage>1822</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2007.02.009</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>Li</surname>, <given-names>T. T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hu</surname>, <given-names>X. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>Y. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>L. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Harnessing out-of-plane deformation to design 3D architected lattice metamaterials with tunable Poisson&#x2019;s ratio</article-title>. <source>Scientific Reports</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>8949</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-017-09218-w</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>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Metamaterials with negative Poisson&#x2019;s ratio and non-positive thermal expansion</article-title>. <source>Composite Structures</source><italic>,</italic> <volume>162</volume><italic>,</italic> <fpage>70</fpage>&#x2013;<lpage>84</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2016.11.056</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>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Micromechanical modeling of 3-D printable interpenetrating phase composites with tailorable effective elastic properties including negative Poisson&#x2019;s ratio</article-title>. <source>Journal of Micromechanics and Molecular Physics</source><italic>,</italic> <volume>2</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>1750015</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S2424913017500151</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>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Three-dimensional metamaterials with a negative Poisson&#x2019;s ratio and a non-positive coefficient of thermal expansion</article-title>. <source>International Journal of Mechanical Sciences</source><italic>,</italic> <volume>135</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>101</fpage>&#x2013;<lpage>113</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2017.10.042</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X.-L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An analytical model for star-shaped re-entrant lattice structures with the orthotropic symmetry and negative Poisson&#x2019;s ratios</article-title>. <source>International Journal of Mechanical Sciences</source><italic>,</italic> <volume>145</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>158</fpage>&#x2013;<lpage>170</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2018.06.027</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Maute</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Topology optimization approaches: A comparative review</article-title>. <source>Structural and Multidisciplinary Optimization</source><italic>,</italic> <volume>48</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>1031</fpage>&#x2013;<lpage>1055</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00158-013-0978-6</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>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lu</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Meshfree method for the topological design of microstructural composites</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>109</volume><italic>,</italic> <fpage>35</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.3970/cmes.2015.109.035</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>Osanov</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guest</surname>, <given-names>J. K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Topology optimization for architected materials design</article-title>. <source>Annual Review of Materials Research</source><italic>,</italic> <volume>46</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>211</fpage>&#x2013;<lpage>233</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-matsci-070115-031826</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>Wang</surname>, <given-names>Y. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Z. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xia</surname>, <given-names>Z. H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Poh</surname>, <given-names>L. H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Structural design optimization using isogeometric analysis: A comprehensive review</article-title>. <source>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</source><italic>,</italic> <volume>117</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>455</fpage>&#x2013;<lpage>507</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.31614/cmes.2018.04603</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Torquato</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Composites with extremal expansion coefficients</article-title>. <source>Applied Physics Letters</source><italic>,</italic> <volume>69</volume><italic>(</italic><issue>21</issue><italic>),</italic> <fpage>3203</fpage>&#x2013;<lpage>3205</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.117961</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Torquato</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Design of materials with extreme thermal expansion using a three-phase topology optimization method</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>45</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>1037</fpage>&#x2013;<lpage>1067</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-5096(96)00114-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>21.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Schwerdtfeger</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wein</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Leugering</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singer</surname>, <given-names>R. F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>K&#x00F6;rner</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Design of auxetic structures via mathematical optimization</article-title>. <source>Advanced Materials</source><italic>,</italic> <volume>23</volume><italic>(</italic><issue>22&#x2013;23</issue><italic>),</italic> <fpage>2650</fpage>&#x2013;<lpage>2654</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/adma.201004090</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>22.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Andreassen</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lazarov</surname>, <given-names>B. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Design of manufacturable 3D extremal elastic microstructure</article-title>. <source>Mechanics of Materials</source><italic>,</italic> <volume>69</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>10</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmat.2013.09.018</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>23.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Topological design for mechanical metamaterials using a multiphase level set method</article-title>. <source>Structural and Multidisciplinary Optimization</source><italic>,</italic> <volume>54</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>937</fpage>&#x2013;<lpage>952</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00158-016-1458-6</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>24.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Vogiatzis</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Topology optimization of multi-material negative Poisson&#x2019;s ratio metamaterials using a reconciled level set method</article-title>. <source>Computer-Aided Design</source><italic>,</italic> <volume>83</volume><italic>,</italic> <fpage>15</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cad.2016.09.009</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>25.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Takezawa</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kobashi</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Design methodology for porous composites with tunable thermal expansion produced by multi-material topology optimization and additive manufacturing</article-title>. <source>Composites Part B: Engineering</source><italic>,</italic> <volume>131</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>21</fpage>&#x2013;<lpage>29</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesb.2017.07.054</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Brown</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Level-set topology optimization for multimaterial and multifunctional mechanical metamaterials</article-title>. <source>Engineering Optimization</source><italic>,</italic> <volume>49</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>22</fpage>&#x2013;<lpage>42</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/0305215X.2016.1164853</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>27.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ye</surname>, <given-names>M. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A design framework for gradually stiffer mechanical metamaterial induced by negative Poisson&#x2019;s ratio property</article-title>. <source>Materials &#x0026; Design</source><italic>,</italic> <volume>192</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>108751</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.matdes.2020.108751</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>28.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiao</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fu</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Robust topology optimization of thermoelastic metamaterials considering hybrid uncertainties of material property</article-title>. <source>Composite Structures</source><italic>,</italic> <volume>248</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>112477</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2020.112477</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>29.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hassani</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hinton</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>A review of homogenization and topology optimization I&#x2013;homogenization theory for media with periodic structure</article-title>. <source>Computers and Structures</source><italic>,</italic> <volume>69</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>707</fpage>&#x2013;<lpage>717</lpage>. DOI http://dx.doi.org/10.1016/S0045-7949(98)00131-X.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>30.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <source>Introduction to micromechanics and nanomechanics</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>31.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kalamkarov</surname>, <given-names>A. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Andrianov</surname>, <given-names>I. V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Danishevs&#x00E2;</surname>, <given-names>V. V.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Asymptotic homogenization of composite materials and structures</article-title>. <source>Applied Mechanics Reviews</source><italic>,</italic> <volume>62</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>30802</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3090830</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>32.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Nasution</surname>, <given-names>M. R. E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Watanabe</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kondo</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yudhanto</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Thermomechanical properties and stress analysis of 3-D textile composites by asymptotic expansion homogenization method</article-title>. <source>Composites Part B: Engineering</source><italic>,</italic> <volume>60</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>378</fpage>&#x2013;<lpage>391</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesb.2013.12.038</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>33.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Tailoring materials with prescribed elastic properties</article-title>. <source>Mechanics of Materials</source><italic>,</italic> <volume>20</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>351</fpage>&#x2013;<lpage>368</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0167-6636(94)00069-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>34.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Turner</surname>, <given-names>P. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1946</year>). <article-title>Thermal expansion stresses in reinforced plastics</article-title>. <source>Journal of Research of the National Bureau of Standards</source><italic>,</italic> <volume>37</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>250</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.6028/jres.037.015</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>35.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Schapery</surname>, <given-names>R. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>1968</year>). <article-title>Thermal expansion coefficients of composite materials based on energy principles</article-title>. <source>Journal of Composite Materials</source><italic>,</italic> <volume>2</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>380</fpage>&#x2013;<lpage>404</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/002199836800200308</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>36.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rosen</surname>, <given-names>B. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hashin</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name></person-group> (<year>1970</year>). <article-title>Effective thermal expansion coefficients and specific heat of composite materials</article-title>. <source>International Journal of Engineering</source><italic>,</italic> <volume>8</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>157</fpage>&#x2013;<lpage>173</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0020-7225(70)90066-2</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>37.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gibiansky</surname>, <given-names>L. V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Torquato</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Thermal expansion of isotropic multiphase composites and polycrystals</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>45</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>1223</fpage>&#x2013;<lpage>1252</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-5096(96)00129-9</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>38.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hashin</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shtrikman</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>1963</year>). <article-title>A variational approach to the theory of the elastic behaviour of multiphase materials</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>11</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>127</fpage>&#x2013;<lpage>140</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0022-5096(63)90060-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>39.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gibiansky</surname>, <given-names>L. V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sigmund</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Multiphase composites with extremal bulk modulus</article-title>. <source>Journal of the Mechanics and Physics of Solids</source><italic>,</italic> <volume>48</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>461</fpage>&#x2013;<lpage>498</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-5096(99)00043-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>40.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jasiuk</surname>, <given-names>I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Thorpe</surname>, <given-names>M. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Elastic moduli of two dimensional materials with polygonal and elliptical holes</article-title>. <source>Applied Mechanics Reviews</source><italic>,</italic> <volume>47</volume><italic>(</italic><issue>1S</issue><italic>),</italic> <fpage>18</fpage>&#x2013;<lpage>28</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3122813</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>41.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tong</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>M. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Shape and topology optimization of compliant mechanisms using a parameterization level set method</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>227</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>680</fpage>&#x2013;<lpage>705</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2007.08.011</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>42.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tong</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>A level set method for shape and topology optimization of large-displacement compliant mechanisms</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>76</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>862</fpage>&#x2013;<lpage>892</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.2352</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>43.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>van Dijk</surname>, <given-names>N. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Maute</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Langelaar</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>van Keulen</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Level-set methods for structural topology optimization: A review</article-title>. <source>Structural and Multidisciplinary Optimization</source><italic>,</italic> <volume>48</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>437</fpage>&#x2013;<lpage>472</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00158-013-0912-y</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>44.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>Y. Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kang</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A multi-material level set-based topology and shape optimization method</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>283</volume><italic>(</italic><issue>21</issue><italic>),</italic> <fpage>1570</fpage>&#x2013;<lpage>1586</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2014.11.002</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>45.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>M. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Color level sets: A multi-phase method for structural topology optimization with multiple materials</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>193</volume><italic>(</italic><issue>6&#x2013;8</issue><italic>),</italic> <fpage>469</fpage>&#x2013;<lpage>496</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2003.10.008</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-46"><label>46.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tong</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wei</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>M. Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Design of piezoelectric actuators using a multiphase level set method of piecewise constants</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>228</volume><italic>(</italic><issue>7</issue><italic>),</italic> <fpage>2643</fpage>&#x2013;<lpage>2659</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2008.12.019</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-47"><label>47.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Guest</surname>, <given-names>J. K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pr&#x00E9;vost</surname>, <given-names>J. H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Optimizing multifunctional materials: Design of microstructures for maximized stiffness and fluid permeability</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>43</volume><italic>(</italic><issue>22&#x2013;23</issue><italic>),</italic> <fpage>7028</fpage>&#x2013;<lpage>7047</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2006.03.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-48"><label>48.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>de Kruijf</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mai</surname>, <given-names>Y. W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Topological design of structures and composite materials with multiobjectives</article-title>. <source>International Journal of Solids and Structures</source><italic>,</italic> <volume>44</volume><italic>(</italic><issue>22&#x2013;23</issue><italic>),</italic> <fpage>7092</fpage>&#x2013;<lpage>7109</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2007.03.028</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-49"><label>49.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mavrotas</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Effective implementation of the <inline-formula id="ieqn-202"><!--<alternatives><inline-graphic xlink:href="ieqn-202.png"/><tex-math id="tex-ieqn-202"><![CDATA[$\varepsilon$]]></tex-math>--><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math><!--</alternatives>--></inline-formula>-constraint method in multi-objective mathematical programming problems</article-title>. <source>Applied Mathematics and Computation</source><italic>,</italic> <volume>213</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>455</fpage>&#x2013;<lpage>465</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.amc.2009.03.037</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-50"><label>50.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kunakote</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bureerat</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Multi-objective topology optimization using evolutionary algorithms</article-title>. <source>Engineering Optimization</source><italic>,</italic> <volume>43</volume><italic>(</italic><issue>5</issue><italic>),</italic> <fpage>541</fpage>&#x2013;<lpage>557</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/0305215X.2010.502935</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-51"><label>51.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Topology optimization of 2-D mechanical metamaterials using a parametric level set method combined with a meshfree algorithm</article-title>. <source>Composite Structures</source><italic>,</italic> <volume>229</volume><italic>(</italic><issue>5</issue><italic>),</italic> <fpage>111318</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2019.111318</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-52"><label>52.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Svanberg</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>1987</year>). <article-title>The method of moving asymptotes&#x2014;A new method for structural optimization</article-title>. <source>International Journal for Numerical Methods in Engineering</source><italic>,</italic> <volume>24</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>359</fpage>&#x2013;<lpage>373</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620240207</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-53"><label>53.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Svanberg</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>A class of globally convergent optimization methods based on conservative convex separable approximations</article-title>. <source>SIAM Journal on Optimization</source><italic>,</italic> <volume>12</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>555</fpage>&#x2013;<lpage>573</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/S1052623499362822</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-54"><label>54.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Deng</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cheng</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Multi-objective concurrent topology optimization of thermoelastic structures composed of homogeneous porous material</article-title>. <source>Structural and Multidisciplinary Optimization</source><italic>,</italic> <volume>47</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>583</fpage>&#x2013;<lpage>597</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00158-012-0849-6</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-55"><label>55.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bower</surname>, <given-names>A. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <source>Applied mechanics of solids</source>. <publisher-loc>Boca Raton, FL</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-56"><label>56.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>M. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>A level set method for structural topology optimization</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>192</volume><italic>(</italic><issue>1&#x2013;2</issue><italic>),</italic> <fpage>227</fpage>&#x2013;<lpage>246</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7825(02)00559-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-57"><label>57.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Andreassen</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Andreasen</surname>, <given-names>C. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>How to determine composite material properties using numerical homogenization</article-title>. <source>Computational Materials Science</source><italic>,</italic> <volume>83</volume><italic>,</italic> <fpage>488</fpage>&#x2013;<lpage>495</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.commatsci.2013.09.006</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-58"><label>58.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><collab>ANSYS</collab></person-group> (<year>2017</year>). <source>ANSYS mechanical APDL structural analysis guide</source>. <publisher-loc>Canonsburg, PA</publisher-loc>: <publisher-name>ANSYS, Inc</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-59"><label>59.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Allaire</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jouve</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Toader</surname>, <given-names>A.-M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Structural optimization using sensitivity analysis and a level-set method</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>194</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>363</fpage>&#x2013;<lpage>393</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2003.09.032</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-60"><label>60.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>S. Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lim</surname>, <given-names>K. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khoo</surname>, <given-names>B. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>M. Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>An extended level set method for shape and topology optimization</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>221</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>395</fpage>&#x2013;<lpage>421</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2006.06.029</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-61"><label>61.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tsai</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Osher</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Level set methods and their applications in image science</article-title>. <source>Communications in Mathematical Sciences</source><italic>,</italic> <volume>1</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>623</fpage>&#x2013;<lpage>656</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-62"><label>62.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ai</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>X. L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Evaluation of effective elastic properties of 3-D printable interpenetrating phase composites using the meshfree radial point interpolation method</article-title>. <source>Mechanics of Advanced Materials and Structures</source><italic>,</italic> <volume>25</volume><italic>(</italic><issue>15&#x2013;16</issue><italic>),</italic> <fpage>1241</fpage>&#x2013;<lpage>1251</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15376494.2016.1143990</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-63"><label>63.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Burger</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hackl</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ring</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Incorporating topological derivatives into level set methods</article-title>. <source>Journal of Computational Physics</source><italic>,</italic> <volume>194</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>344</fpage>&#x2013;<lpage>362</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2003.09.033</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-64"><label>64.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rafiee</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Farahani</surname>, <given-names>R. D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Therriault</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Multi-material 3D and 4D printing: A survey</article-title>. <source>Advanced Science</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><italic>(</italic><issue>12</issue><italic>),</italic> <fpage>1902307</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/advs.201902307</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>