<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1111159</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.1111159</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Sensitivity analysis of flexoelectric materials surrogate model based on the isogeometric finite element method</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Li et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1111159">10.3389/fphy.2022.1111159</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Haozhi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2119392/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>Juan</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>Xiaokun</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>Yu</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Yanmin</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2055996/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>Xiaohui</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2119424/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>College of Architecture and Civil Engineering</institution>, <institution>Xinyang Normal University</institution>, <addr-line>Xinyang</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Henan Unsaturated Soil and Special Soil Engineering Technology Research Center</institution>, <institution>Xinyang Normal University</institution>, <addr-line>Xinyang</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Henan International Joint Laboratory of Structural Mechanics and Computational Simulation</institution>, <institution>Huanghuai University</institution>, <addr-line>Zhumadian</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>School of Architecture and Civil Engineering</institution>, <institution>Huanghuai University</institution>, <addr-line>Zhumadian</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1159606/overview">Pei Li</ext-link>, Xi&#x2019;an Jiaotong University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2074894/overview">Yunfei Gao</ext-link>, Hohai University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2075469/overview">Chuang Lu</ext-link>, University of Science and Technology of China, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Xiaohui Yuan, <email>yxh@xynu.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Statistical and Computational Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>22</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1111159</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>29</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>12</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Li, Zhao, Guo, Cheng, Xu and Yuan.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Li, Zhao, Guo, Cheng, Xu and Yuan</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>In this paper proposes a sensitivity analysis method based on a Polynomial Chaos Expansion (PCE) surrogate model for flexoelectric materials. The non-uniform rational B-splines (NURBS) basis functions to discretize the fourth-order partial differential equation for flexoelectricity and obtains a deterministic solution (electric potential). The mathematical expressions of surrogate model for the flexoelectric materials are established by considering uncertain parameters such as independent Young&#x2019;s modulus, concentrated load and flexoelectric constants. The sensitivity expression is found by derivation the mathematical expression for the surrogate model. Moreover the finite difference method (FDM) are conducted in numerical examples to demonstrate the validity and correctness of the proposed algorithm.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>isogeometric analysis</kwd>
<kwd>polynomial chaos expansion</kwd>
<kwd>surrogate model</kwd>
<kwd>uncertainty quantification</kwd>
<kwd>sensitivity analysis</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Flexoelectricity is a new electromechanical energy conversion mechanism that can be an alternative to piezoelectricity [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. The flexoelectricity is relatively weak in bulk crystalline materials, resulting in little attention. However, with the advancement of nanotechnology, huge strain gradients can be obtained at small-length scales, leading to a new understanding of the flexoelectricity as a size-dependent phenomenon [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. As compared to piezoelectricity, flexoelectricity theoretically be present in all dielectrics, including those with centrosymmetric crystal structures, and is therefore a more versatile electromechanical coupling mechanism [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. The traditional Lagrangian interpolation function of Finite Element Method (FEM) can only provide <italic>C</italic>
<sup>0</sup> continuity requirements. The <italic>C</italic>
<sup>0</sup> continuity of the FEM cannot satisfy the <italic>C</italic>
<sup>1</sup> continuity requirement of the fourth-order partial differential equation for flexoelectricity. This requires other numerical methods to achieve the <italic>C</italic>
<sup>1</sup> continuity requirement. Isogeometric analysis (IGA) is one of the most popular numerical methods. It satisfies the continuity of <italic>C</italic>
<sup>1</sup> by enhancing the order of NURBS basis function [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. IGA initially developed to unify computer-aided design (CAD) and computer-aided engineering (CAE), but the remarkable characteristics of IGA basis functions such as NURBS has been applied to many applications including mechanics of fracture [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], electromagnetics [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], acoustics [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], and optimizations [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
<p>The input parameters of simulation models are often characterized by high uncertainty, and the model parameters are difficult and inaccurate to estimate [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. This can largely lead us to make erroneous judgments about the issues of concern. The uncertainty quantification of input parameters is an efficient way to address uncertainty, and it examines the uncertainty in the model from the input parameters. Uncertainty analysis methods including Monte Carlo simulation (MCs) [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], the random spectral approach [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] and the perturbation technique [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] are frequently used to take into account the impact of uncertainty on the system response. However, with improving accuracy requirements, modeling of target simulation has become extremely complex, and its implementation is costly and time-consuming. The commonly used MCs approach is costly and challenging to implement for uncertainty quantification when many samples and model observations are required [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. The surrogate modeling approach uses the relationship between inputs and outputs in a basic mathematical model to establish a new method for replacing complex analytical or computational models. The development of surrogate modeling techniques appropriate for solving practical engineering problems provides the required model observations and can reduce the computational cost of uncertainty quantification.</p>
<p>The Polynomial Chaos Expansion (PCE) becomes a prominent alternative modeling method in the field of uncertainty quantification (UQ) with low training cost when modeling extremely complex systems. The main implementation process of PCE is to use several polynomials to expand the response of random variables. The model response is expressed as a polynomial function of the input by determining the PCE coefficients of the polynomial components. These polynomial functions are orthogonal to the probability density functions of the input variables, which makes the calculation easier. The non-intrusive method does not require information about the control equations and is more suitable than the intrusive method for most problems when solving for the PCE coefficients. The non-intrusive methods include projection methods [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] and regression methods [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] in which regression methods are more popular because of their efficiency in dealing with multivariate problems [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. The sensitivity analysis (SA) quantitatively measures which the uncertainty of different input parameters contributes to the output uncertainty [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. The sensitivity index is usually used to indicate the influence of each individual input parameter on the output [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. Some complex problems in practical engineering do not have a definite input-output mathematical expression. It makes it difficult for engineers to perform sensitivity analysis on complex problems. The technique of surrogate modeling, such as PCE, can easily quantify the influence of the input parameters on the output by building mathematical expressions for the mechanical properties of complex problems depending on the inputs and outputs.</p>
<p>This paper lays out a procedure for solving the sensitivity problems of flexoelectric materials. This approach consists of two novel points:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1 The IGA-FEM and PCE are employed to establish a surrogate model for the flexoelectric materials.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2 The sensitivity expressions of the surrogate model are established by considering three kinds of different material parameters, respectively.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The remaining sections of the essay are structured as follows. The foundations of PCE in uncertainty quantification are presented in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>. Three introduces the principles of the isogeometric Finite Element Method for the statics of flexoelectric materials. <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> validates the IGA-FEM, PCE surrogate models and the sensitivity values of PCE surrogate models of the flexoelectric structure using numerical examples, followed by conclusions in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Basic formula of polynomial chaos expansion</title>
<p>The basic idea of PCE is to replace the system model with an orthogonal polynomial defined by random variables, and then obtain a surrogate model expression by solving for the PCE coefficients. For the system model with <italic>n</italic>-dimensional independent random variables, the output function of the truncated PCE model with total expand order <italic>p</italic> can be expressed as<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where the total number <italic>N</italic> of polynomial terms of order <italic>p</italic> is computed by <italic>N</italic> &#x3d; (<italic>n</italic>&#x2b;<italic>p</italic>)!/(<italic>n</italic>!<italic>p</italic>!). <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> are polynomial coefficients that are unknown. &#x3a8;<sub>
<bold>
<italic>&#x3b1;</italic>
</bold>
</sub> are multivariate orthogonal polynomials defined by the tensor product of univariate orthogonal polynomials as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m3">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a univariate polynomial with respect to the random variable <italic>r</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>. The inner product of any two functions defined by &#x3a8;<sub>
<italic>s</italic>
</sub>(<bold>r</bold>) and &#x3a8;<sub>
<italic>t</italic>
</sub>(<bold>r</bold>), and the probability density function <italic>P</italic>(<bold>r</bold>) of <bold>r</bold> is:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m4">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m5">
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> is the expectation operator. <italic>&#x3b4;</italic>
<sub>
<italic>st</italic>
</sub> is the Kronecker symbol, which is equal to one when <italic>s</italic> &#x3d; <italic>t</italic> and otherwise zero.</p>
<p>In general, the probability density functions for different distributions correspond to different orthogonal polynomials, e.g., Legendre polynomials correspond to uniform distributions and Gaussian distributions correspond to Hermite polynomials. <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> lists the common univariate orthogonal polynomials and their corresponding probability distributions. There are various approaches to calculating the polynomial chaos expansion coefficient <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>. The collocation method and the least-squares minimization problem are commonly employed to obtain the PCE coefficients. The orthogonal matrix and the PCE coefficient vector can be obtained according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> as [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>].<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m6">
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext mathvariant="bold">and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="array">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <italic>Z</italic> is the number of random variables sample points. The PCE coefficient vector can be expressed as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m7">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m8">
<mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. In this paper, an orthogonal polynomial with random variables satisfying a Gaussian distribution is used as an example. The recurrence relation for the Hermite orthogonal polynomials corresponding to the Gaussian distribution is<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an integer and less than or equal to <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m11">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>r</italic> denotes the random variable. The three-term recurrence equation for the Hermite orthogonal polynomial is expressed as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>The probability distributions of different random variables and corresponding orthogonal polynomials [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Distribution type of random variable</th>
<th align="center">Orthogonal polynomials</th>
<th align="center">Interval</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Gamma</td>
<td rowspan="2" align="center">Laguerre</td>
<td rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m13">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Weibull</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Normal</td>
<td align="center">Hermit</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m14">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Uniform</td>
<td align="center">Legendre</td>
<td align="center">[a, b]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Beta</td>
<td align="center">Jacobi</td>
<td align="center">[a, b]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Poisson</td>
<td align="center">Charlier</td>
<td align="center">{0, 1, 2, &#x2026;, }</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Negative binomial</td>
<td align="center">Meixner-Chaos</td>
<td align="center">{0, 1, 2, &#x2026;, }</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Binomial</td>
<td align="center">Krawtchouk</td>
<td align="center">{0, 1, 2, &#x2026;, <italic>n</italic>}</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Hypergeometric</td>
<td align="center">Hahn-Chaos</td>
<td align="center">{0, 1, 2, &#x2026;, <italic>n</italic>}</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The first six polynomials of <italic>H</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>(<italic>r</italic>) are<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m15">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 IGA discretization of the control equations for flexoelectricity</title>
<p>In this section, we summarize the controlling equations for dielectric solids considering the flexoelectric effect. More information see [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>] and references included therein. The weak form of the flexoelectric control equation is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m16">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ijkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lijk</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</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:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where <italic>u</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> denotes displacement; <italic>&#x3c6;</italic> denotes the electric potential; <italic>C</italic>
<sub>
<italic>ijkl</italic>
</sub> represents the fourth-order elasticity tensor; the mechanical strain is denoted by <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>, <italic>e</italic>
<sub>
<italic>ijk</italic>
</sub> is the third-order piezoelectric tensor, the electric field is defined as <italic>E</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;<italic>&#x3c6;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>; the fourth-order total flexoelectric tensor is denoted by <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>ijkl</italic>
</sub>; <italic>&#x3ba;</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> is dielectric tensor of second order; <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the mechanical traction; <italic>&#x3c9;</italic> is surface charge density. The physical domain is denoted by &#x3a9;, with boundaries &#x393;<sub>
<italic>t</italic>
</sub> and &#x393;<sub>
<italic>D</italic>
</sub> corresponding to mechanical traction and electric displacements, respectively. In order to obtain the FEM form of the governing Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>, the B-spline basis function <italic>N</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>p</italic>
</sub>(<italic>&#x3be;</italic>) obtained by recursively defining the Cox-de-Boor formula is<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m18">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="array">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>and for <italic>p</italic> &#x3d; 1, 2, 3,<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m19">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> illustrates the results of visualizing the B-spline basis functions for both directional knot vectors with <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m20">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable class="array">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m21">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable class="array">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The <italic>N</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>p</italic>
</sub> and <italic>N</italic>
<sub>
<italic>i</italic>,<italic>q</italic>
</sub> are 2<sup>nd</sup> order basis functions. The richness of B-spline basis function can be intuitively seen in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. The richness of the basis functions provides the groundwork for solving the fourth-order partial differential equation for flexoelectricity. Using Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> to discretize Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>, the linear algebraic system of equations for the flexoelectricity control equation is obtained as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m22">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where the matrix corresponding to the displacements is<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m23">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m24">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m25">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="bold">C</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3bd;</italic> is Poisson&#x2019;s ratio and <italic>Y</italic> is the Young&#x2019;s modulus. The matrix of displacement and electric field coupling are<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m26">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>The electric field and Hessian matrices are<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m27">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ncp</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The specific B-spline basis functions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g001.tif"/>
</fig>
<p>The piezoelectric constants and flexoelectric constants matrices are<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m28">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>115</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>311</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>333</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The matrix corresponding to the electric field is<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m29">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where the permittivity constant matrix is<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m30">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The force and electrical load vectors are<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m31">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>The subscript <italic>e</italic> in &#x3a9;<sub>
<italic>e</italic>
</sub>, &#x393;<sub>
<italic>te</italic>
</sub> and &#x393;<sub>
<italic>De</italic>
</sub> represents the <italic>e</italic>th finite element in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Numercial examples</title>
<p>In this section, we verify the accuracy of the IGA-FEM for solving the fourth-order partial differential equation using a benchmark example of a cantilever beam. After that, some random variable sample points are selected to obtain the output of IGA-FEM, which is used to build a polynomial chaos expansion surrogate model. Finally, the sensitivity results of the surrogate model for the mechanical properties of flexoelectric materials are verified by several numerical examples. For the cantilever beam model, we postulate that the model satisfies plane strain linear elastic isotropy.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Model verification</title>
<p>The cantilever beam model with open-circuit electrical boundary conditions and the top free edge subjected to a concentrated load of 200&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>N is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. The most commonly used BaTiO<sub>3</sub> material was selected for the cantilever beam model, as summarized in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The mesh and control point information is demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. The boundary condition of the cantilever beam potential is specified on the right side as 0&#xa0;V. The FEM uses the traditional Lagrangian basis function, which requires a lot of meshing to achieve higher accuracy, but the processing efficiency is lower. However, IGA-FEM uses NURBS basis functions to reduce the preprocessing time by enhancing the order, which improves the computational efficiency. This is the main motivation for using IGA-FEM in this work.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Cantilever beam model with open circuit electric boundary conditions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g002.tif"/>
</fig>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Material parameters for cantilever beam.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Name</th>
<th align="center">BaTiO<sub>3</sub>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Beam aspect ratio <italic>L</italic>/<italic>h</italic>
</td>
<td align="center">30</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Poisson ratio <italic>&#x3bd;</italic>
</td>
<td align="center">0.35</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Young&#x2019;s modulus <italic>Y</italic>
</td>
<td align="center">120&#xa0;Gpa</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Piezoelectric constant <italic>e</italic>
<sub>311</sub>
</td>
<td align="center">&#x2212;4.3&#xa0;C/m<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bd;</italic>
<sub>12</sub>
</td>
<td rowspan="2" align="center">1.2&#xa0;&#x3bc;C/m</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Dielectric constants</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>&#x3ba;</italic>
<sub>11</sub>
</td>
<td align="center">9.9&#xa0;nC/(Vm)</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>&#x3ba;</italic>
<sub>33</sub>
</td>
<td align="center">11.2&#xa0;nC/(Vm)</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Electric susceptibility <italic>&#x3c7;</italic>
<sub>33</sub>
</td>
<td align="center">1,408</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Concentrated load <italic>F</italic>
</td>
<td align="center">200&#xa0;&#x3bc;N</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>FEM discretization showing the control points as green dots.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g003.tif"/>
</fig>
<p>The general definition of the electromechanical coupling coefficient <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">eff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m33">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">eff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">elec</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">mech</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ijkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>For the one-dimensional cantilever beam problem, there are only stresses <italic>T</italic>
<sub>11</sub> and electric fields <italic>E</italic>
<sub>2</sub> [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. The electromechanical coupling coefficient of the cantilever beam problem is [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>].<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m34">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">eff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>311</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>For comparison purposes, we introduce a normalized expression for the electromechanical coupling coefficient as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m35">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">eff</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m36">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>piezo</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>311</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The one-dimensional model can be obtained by setting the Poisson&#x2019;s ratio, the piezoelectric constant <italic>e</italic>
<sub>333</sub>, flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub> in the two-dimensional model to zero. The non-piezoelectric material is obtained by setting <italic>e</italic>
<sub>311</sub> &#x3d; 0. The normalized electromechanical coupling coefficients obtained by IGA-FEM and analytical solutions are presented in <xref ref-type="table" rid="T3">Tables 3</xref>, <xref ref-type="table" rid="T4">4</xref>. From the <xref ref-type="table" rid="T3">Tables 3</xref>, <xref ref-type="table" rid="T4">4</xref>, it can be seen that the normalized electromechanical coupling coefficients obtained by IGA-FEM are very close to the analytical solution, and the relative errors are within a small range. The increase in standardized thickness will decrease the mechanical properties (electric potential) of the flexoelectric material.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>The normalized electromechanical coupling coefficient <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of non-piezoelectric materials with changing normalized thickness <italic>h</italic>&#x2032;.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="4" align="center">Non-piezoelectric materials</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">Normalized thickness <italic>h</italic>&#x2032;</th>
<th align="center">IGA-FEM</th>
<th align="center">Analytical solution</th>
<th align="center">Relative error (%)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">1</td>
<td align="center">3.4642</td>
<td align="center">3.4641</td>
<td align="center">0.003</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">2</td>
<td align="center">1.7323</td>
<td align="center">1.7321</td>
<td align="center">0.012</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">3</td>
<td align="center">1.1549</td>
<td align="center">1.1547</td>
<td align="center">0.017</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">4</td>
<td align="center">0.8662</td>
<td align="center">0.866</td>
<td align="center">0.023</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">5</td>
<td align="center">0.6929</td>
<td align="center">0.6928</td>
<td align="center">0.014</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">6</td>
<td align="center">0.5774</td>
<td align="center">0.5774</td>
<td align="center">0.000</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>The normalized electromechanical coupling coefficient <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of piezoelectric materials with changing normalized thickness <italic>h</italic>&#x2032;.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="4" align="center">Piezoelectric materials</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">Normalized thickness <italic>h</italic>&#x2032;</th>
<th align="center">IGA-FEM</th>
<th align="center">Analytical solution</th>
<th align="center">Relative error (%)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">1</td>
<td align="center">3.5565</td>
<td align="center">3.6056</td>
<td align="center">1.36</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">2</td>
<td align="center">1.9793</td>
<td align="center">2.0000</td>
<td align="center">1.04</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">3</td>
<td align="center">1.5156</td>
<td align="center">1.5275</td>
<td align="center">0.78</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">4</td>
<td align="center">1.3152</td>
<td align="center">1.3229</td>
<td align="center">0.58</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">5</td>
<td align="center">1.2112</td>
<td align="center">1.2166</td>
<td align="center">0.44</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">6</td>
<td align="center">1.1508</td>
<td align="center">1.1547</td>
<td align="center">0.34</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 PCE surrogate model verification</title>
<p>In this section, the output of the IGA-FEM of the cantilever beam model is used to build the PCE surrogate model. The Young&#x2019;s modulus, concentrated load and two flexoelectric constants as the random input variables are adopted, respectively. <xref ref-type="table" rid="T5">Table 5</xref> lists the mean vlues, coefficients of variation, and ranges of sample points for the different random input variables. In this paper, we have used 500 sample points as input parameters for the random variables of the PCE. The Latin Hypercube Sampling (LHS) random number generation module in Matlab is utilized to obtain sample points of random variables. Owing to the potential distribution at the fixed edge is the most obvious, point <italic>A</italic> is selected as the reference point when establishing the surrogate model.</p>
<table-wrap id="T5" position="float">
<label>TABLE 5</label>
<caption>
<p>Definitions and the statistical characteristics of the random input variables.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Variables</th>
<th align="center">Mean values <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m39">
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">Coefficient of variation&#xa0;<italic>&#x3b3;</italic>
</th>
<th align="center">The limits of variables: [lower, upper]</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Young&#x2019;s modulus <italic>Y</italic>
</td>
<td align="center">120&#xa0;GPa</td>
<td align="center">0.1</td>
<td align="center">[84,156]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Concentrated load <italic>F</italic>
</td>
<td align="center">200&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>N</td>
<td align="center">0.12</td>
<td align="center">[128,272]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub> / <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>
</td>
<td align="center">1.2&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>C/m</td>
<td align="center">0.14</td>
<td align="center">[0.7,1.7]</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> presents the comparison results of PCE and IGA-FEM for piezoelectric and non-piezoelectric materials with Young&#x2019;s modulus as random variable. As can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, the electric potential decreases as the Young&#x2019;s modulus increases. The PCE calculation results are basically consistent with the IGA-FEM calculation results, which verifies the effectiveness of the algorithm.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The electric potential at point A of cantilever beam where the Young&#x2019;s modulus <italic>Y</italic> is a random variable.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g004.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> depicts the electric potential obtained by PCE and IGA-FEM for piezoelectric and non-piezoelectric materials with concentrated load as random variables. As can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, the electric potential of point A increases with increasing concentrated load. The electric potential of a piezoelectric material subjected to the same concentrated force <italic>F</italic> is less than that of a non-piezoelectric material.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The electric potential at point A of cantilever beam where the concentrated load <italic>F</italic> is a random variable.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g005.tif"/>
</fig>
<p>The results of PCE and IGA-FEM for piezoelectric and non-piezoelectric materials are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, where the random variables are the flexoelectric constants <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub> and <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>. It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> that the electric potential presents reverse changes as the two different flexoelectric constants are changed.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The electric potential at point A of the cantilever beam for different random variables. <bold>(A)</bold> The electric potential at point A of the cantilever beam when the random variable is <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub>. <bold>(B)</bold> The electric potential at point A of the cantilever beam when the random variable is <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1111159-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Sensitivity analysis</title>
<p>In this section, we perform a sensitivity analysis of the surrogate model for the mechanical properties of flexoelectric materials obtained in <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>. The sensitivity expression of the surrogate model for the mechanical properties of flexoelectric materials without considering piezoelectric effect are<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m40">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.42</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2.48</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>26</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7.35</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>38</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.36697</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>39.0240</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>78.4851</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The sensitivity expression of the surrogate model for the mechanical properties of flexoelectric materials considering piezoelectric effect are<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m41">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.24</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2.34</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>26</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6.99</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>38</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.31776</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>36.2533</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>81.6950</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The sensitivity values obtained from the PCE surrogate model are compared with the global finite difference method (FDM) defined by<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m42">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To investigate the accuracy of DSM and FDM, one gives the relative error of DSM and FDM for different random variable <italic>r</italic>. The relative error of the sensitivity results obtained by FDM and PCE is<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m43">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">err</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">PCE</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">FDM</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">FDM</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Owing to the first sensitivity expressions in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref> are a quadratic function of Young&#x2019;s modulus. Therefore, we need to calculate the sensitivity value of the surrogate model through the mean value of Young&#x2019;s modulus. The mean value of Young&#x2019;s modulus is lists in <xref ref-type="table" rid="T5">Table 5</xref>. The rest of the sensitivity values are directly selected from the derivative results. <xref ref-type="table" rid="T6">Tables 6</xref>, <xref ref-type="table" rid="T7">7</xref> present a comparison of the sensitivity values of PCE and FDM for non-piezoelectric and piezoelectric materials. From <xref ref-type="table" rid="T6">Tables 6</xref>, <xref ref-type="table" rid="T7">7</xref>, it can be seen that the sensitivity values obtained by PCE and FDM are basically the same, and the relative errors are very small. In terms of the value of sensitivity, the flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub> has a greater effect on the electric potential of the flexoelectric material and the material is more sensitive to the flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>.</p>
<table-wrap id="T6" position="float">
<label>TABLE 6</label>
<caption>
<p>Comparison of PCE and FDM of sensitivity results for non-piezoelectric materials.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="4" align="center">Non-piezoelectric</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">Random variables</th>
<th align="center">FDM</th>
<th align="center">PCE</th>
<th align="center">Relative error</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Young&#x2019;s modulus <italic>Y</italic>
</td>
<td align="center">&#x2212;5.04 &#xd7; 10<sup>&#x2013;16</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;5.01 &#xd7; 10<sup>&#x2013;16</sup>
</td>
<td align="center">0.49%</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Concentrated load <italic>F</italic>
</td>
<td align="center">0.36697</td>
<td align="center">0.36697</td>
<td align="center">-</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub>
</td>
<td align="center">&#x2212;38.6675</td>
<td align="center">&#x2212;39.0240</td>
<td align="center">0.9%</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>
</td>
<td align="center">79.0227</td>
<td align="center">78.4851</td>
<td align="center">0.7%</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap id="T7" position="float">
<label>TABLE 7</label>
<caption>
<p>Comparison of PCE and FDM of sensitivity results for non-piezoelectric materials.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="4" align="center">Piezoelectric</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">Random variables</th>
<th align="center">FDM</th>
<th align="center">PCE</th>
<th align="center">Relative error</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Young&#x2019;s modulus <italic>Y</italic>
</td>
<td align="center">&#x2212;4.48 &#xd7; 10<sup>&#x2013;16</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;4.46 &#xd7; 10<sup>&#x2013;16</sup>
</td>
<td align="center">0.49%</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Concentrated load <italic>F</italic>
</td>
<td align="center">0.31176</td>
<td align="center">0.31176</td>
<td align="center">-</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>11</sub>
</td>
<td align="center">&#x2212;35.7991</td>
<td align="center">&#x2212;36.2533</td>
<td align="center">1.3%</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>
</td>
<td align="center">82.3133</td>
<td align="center">81.6950</td>
<td align="center">0.8%</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>In this paper, a sensitivity analysis method of surrogate model based on isogeometric stochastic Finite Element Method is proposed for flexoelectric materials. The NURBS basis functions with high-order continuity are used to discretize the fourth-order partial differential equation for flexoelectricity. The Polynomial Chaos Expansion (PCE) is utilized to develop a surrogate model for the mechanical properties of flexoelectric materials. The sensitivity values of the surrogate model are obtained by considering three kinds of different parameters, respectively. Numerical examples illustrate the flexoelectric material is more sensitive to the flexoelectric constant <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>12</sub>. Additionally, the current technology will also be used to three-dimensional piezoelectric and flexoelectric problems.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material; further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>Conceptualization, HL; Data curation, HL; Formal analysis, YC and YX; Investigation, XG; Methodology, HL and JZ; Project administration, XY, Software, HL and JZ; Supervision, XY; Validation, YX; Visualization, YC; Writing&#x2014;original draft, HL and XG. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hamdia</surname>
<given-names>KM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghasemi</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhuang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alajlan</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rabczuk</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Sensitivity and uncertainty analysis for flexoelectric nanostructures</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2018</year>) <volume>337</volume>:<fpage>95</fpage>&#x2013;<lpage>109</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2018.03.016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ahmadpoor</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Flexoelectricity in two-dimensional crystalline and biological membranes</article-title>. <source>Nanoscale</source> (<year>2015</year>) <volume>7</volume>:<fpage>16555</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C5NR04722F</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yudin</surname>
<given-names>PV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tagantsev</surname>
<given-names>AK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fundamentals of flexoelectricity in solids</article-title>. <source>Nanotechnology</source> (<year>2013</year>) <volume>24</volume>:<fpage>432001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0957-4484/24/43/432001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hughes</surname>
<given-names>TJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cottrell</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bazilevs</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2005</year>) <volume>194</volume>:<fpage>4135</fpage>&#x2013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/J.CMA.2004.10.008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Modeling pressurized fracture propagation with the isogeometric BEM</article-title>. <source>Geomechanics Geophys Geo-Energy Geo-Resources</source> (<year>2021</year>) <volume>7</volume>:<fpage>51</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s40948-021-00248-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atroshchenko</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Generalized isogeometric boundary element method for uncertainty analysis of time-harmonic wave propagation in infinite domains</article-title>. <source>Appl Math Model</source> (<year>2023</year>) <volume>114</volume>:<fpage>360</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2022.09.030</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Acoustic topology optimization of sound absorbing materials directly from subdivision surfaces with isogeometric boundary element methods</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2020</year>) <volume>362</volume>:<fpage>112806</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2019.112806</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gong</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>C-J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Bi-material topology optimization for fully coupled structural-acoustic systems with isogeometric FEM-BEM</article-title>. <source>Eng Anal Boundary Elem</source> (<year>2022</year>) <volume>135</volume>:<fpage>182</fpage>&#x2013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2021.11.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marburg</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Implementation of isogeometric fast multipole boundary element methods for 2d half-space acoustic scattering problems with absorbing boundary condition</article-title>. <source>J Theor Comput Acoust</source> (<year>2018</year>) <volume>27</volume>:<fpage>1850024</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S259172851850024X</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>C-J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Subdivision surfaces&#x2014;boundary element accelerated by fast multipole for the structural acoustic problem</article-title>. <source>J Theor Comput Acoust</source> (<year>2020</year>) <volume>28</volume>:<fpage>2050011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S2591728520500115</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An isogeometric approach of two dimensional acoustic design sensitivity analysis and topology optimization analysis for absorbing material distribution</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2018</year>) <volume>336</volume>:<fpage>507</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2018.03.025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atroshchenko</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Structural shape optimization of three dimensional acoustic problems with isogeometric boundary element methods</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2019</year>) <volume>355</volume>:<fpage>926</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2019.06.012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atroshchenko</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>SP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Seamless integration of computer-aided geometric modeling and acoustic simulation: Isogeometric boundary element methods based on catmull-clark subdivision surfaces</article-title>. <source>Adv Eng Softw</source> (<year>2020</year>) <volume>149</volume>:<fpage>102879</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.advengsoft.2020.102879</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Natarajan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multi-frequency acoustic topology optimization of sound-absorption materials with isogeometric boundary element methods accelerated by frequency-decoupling and model order reduction techniques</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2022</year>) <volume>395</volume>:<fpage>114997</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2022.114997</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Adaptive sparse polynomial chaos expansions for global sensitivity analysis based on support vector regression</article-title>. <source>Comput Structures</source> (<year>2018</year>) <volume>194</volume>:<fpage>86</fpage>&#x2013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruc.2017.09.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hurtado</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barbat</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Monte Carlo techniques in computational stochastic mechanics</article-title>. <source>Arch Comput Methods Eng</source> (<year>1998</year>) <volume>5</volume>:<fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>29</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF02736747</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lian</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>SP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A sample-efficient deep learning method for multivariate uncertainty qualification of acoustic&#x2013;vibration interaction problems</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2022</year>) <volume>393</volume>:<fpage>114784</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2022.114784</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Monte Carlo based isogeometric stochastic finite element method for uncertainty quantization in vibration analysis of piezoelectric materials</article-title>. <source>Mathematics</source> (<year>2022</year>) <volume>10</volume>:<fpage>1840</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/math10111840</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Honda</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic BEM with spectral approach in elastostatic and elastodynamic problems with geometrical uncertainty</article-title>. <source>Eng Anal Boundary Elem</source> (<year>2005</year>) <volume>29</volume>:<fpage>415</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2005.01.007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>WK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Belytschko</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mani</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Random field finite elements</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source> (<year>1986</year>) <volume>23</volume>:<fpage>1831</fpage>&#x2013;<lpage>45</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620231004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kami&#x144;ski</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic perturbation approach to engineering structure vibrations by the finite difference method</article-title>. <source>J Sound Vibration</source> (<year>2002</year>) <volume>251</volume>:<fpage>651</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jsvi.2001.3850</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kami&#x144;ski</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On generalized stochastic perturbation-based finite element method</article-title>. <source>Commun Numer Methods Eng</source> (<year>2006</year>) <volume>22</volume>:<fpage>23</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cnm.795</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>B-Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>Y-Q</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A hybrid sequential sampling strategy for sparse polynomial chaos expansion based on compressive sampling and Bayesian experimental design</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2021</year>) <volume>386</volume>:<fpage>114130</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2021.114130</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Le Ma&#xee;tre</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knio</surname>
<given-names>OM</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Spectral methods for uncertainty quantification: With applications to computational fluid dynamics</source>. <publisher-loc>Berlin, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Science &#x26; Business Media</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Blatman</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sudret</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Sparse polynomial chaos expansions and adaptive stochastic finite elements using a regression approach</article-title>. <source>Comptes Rendus M&#xe9;canique</source> (<year>2008</year>) <volume>336</volume>:<fpage>518</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.crme.2008.02.013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Palar</surname>
<given-names>PS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tsuchiya</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Parks</surname>
<given-names>GT</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multi-fidelity non-intrusive polynomial chaos based on regression</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2016</year>) <volume>305</volume>:<fpage>579</fpage>&#x2013;<lpage>606</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2016.03.022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An expanded sparse Bayesian learning method for polynomial chaos expansion</article-title>. <source>Mech Syst Signal Process</source> (<year>2019</year>) <volume>128</volume>:<fpage>153</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ymssp.2019.03.032</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saltelli</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ratto</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andres</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campolongo</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cariboni</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gatelli</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <source>Global sensitivity analysis: The primer</source>. <publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x26; Sons</publisher-name> (<year>2008</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hamdia</surname>
<given-names>KM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Silani</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhuang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rabczuk</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic analysis of the fracture toughness of polymeric nanoparticle composites using polynomial chaos expansions</article-title>. <source>Int J Fracture</source> (<year>2017</year>) <volume>206</volume>:<fpage>215</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10704-017-0210-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hauseux</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hale</surname>
<given-names>JS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bordas</surname>
<given-names>SP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Accelerating Monte Carlo estimation with derivatives of high-level finite element models</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2017</year>) <volume>318</volume>:<fpage>917</fpage>&#x2013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/J.CMA.2017.01.041</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Majdoub</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cagin</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Enhanced size-dependent piezoelectricity and elasticity in nanostructures due to the flexoelectric effect</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2008</year>) <volume>77</volume>:<fpage>125424</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.77.125424</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ghasemi</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>HS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rabczuk</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A level-set based Iga formulation for topology optimization of flexoelectric materials</article-title>. <source>Comput Methods Appl Mech Eng</source> (<year>2017</year>) <volume>313</volume>:<fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>58</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2016.09.029</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ghasemi</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>HS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alajlan</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rabczuk</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A computational framework for design and optimization of flexoelectric materials</article-title>. <source>Int J Comput Methods</source> (<year>2020</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1850097</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0219876218500974</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abdollahi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peco</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mill&#xe1;n</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arroyo</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arias</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Computational evaluation of the flexoelectric effect in dielectric solids</article-title>. <source>J Appl Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>116</volume>:<fpage>093502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4893974</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>