<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Physiol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physiology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Physiol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1664-042X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2017.00107</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physiology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Quantifying the Frictional Forces between Skin and Nonwoven Fabrics</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Jayawardana</surname> <given-names>Kavinda</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Ovenden</surname> <given-names>Nicholas C.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/326745/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Cottenden</surname> <given-names>Alan</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Mathematics, University College London (UCL)</institution> <country>London, UK</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Bioengineering and Medical Physics, University College London (UCL)</institution> <country>London, UK</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Krasimira Tsaneva-Atanasova, University of Exeter, UK</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Adam Jan Gadomski, University of Science and Technology, Poland; Luis Vilhena, University of Coimbra, Portugal</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Nicholas C. Ovenden <email>n.ovenden&#x00040;ucl.ac.uk</email></p></fn>
<fn fn-type="other" id="fn002"><p>This article was submitted to Computational Physiology and Medicine, a section of the journal Frontiers in Physiology</p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>06</day>
<month>03</month>
<year>2017</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2017</year>
</pub-date>
<volume>8</volume>
<elocation-id>107</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>30</day>
<month>11</month>
<year>2016</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>09</day>
<month>02</month>
<year>2017</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2017 Jayawardana, Ovenden and Cottenden.</copyright-statement>
<copyright-year>2017</copyright-year>
<copyright-holder>Jayawardana, Ovenden and Cottenden</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) or licensor 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>When a compliant sheet of material is dragged over a curved surface of a body, the frictional forces generated can be many times greater than they would be for a planar interface. This phenomenon is known to contribute to the abrasion damage to skin often suffered by wearers of incontinence pads and bed/chairbound people susceptible to pressure sores. Experiments that attempt to quantify these forces often use a simple capstan-type equation to obtain a characteristic coefficient of friction. In general, the capstan approach assumes the ratio of applied tensions depends only on the arc of contact and the coefficient of friction, and ignores other geometric and physical considerations; this approach makes it straightforward to obtain explicitly a coefficient of friction from the tensions measured. In this paper, two mathematical models are presented that compute the material displacements and surface forces generated by, firstly, a membrane under tension in moving contact with a rigid obstacle and, secondly, a shell-membrane under tension in contact with a deformable substrate. The results show that, while the use of a capstan equation remains fairly robust in some cases, effects such as the curvature and flaccidness of the underlying body, and the mass density of the fabric can lead to significant variations in stresses generated in the contact region. Thus, the coefficient of friction determined by a capstan model may not be an accurate reflection of the true frictional behavior of the contact region.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>friction</kwd>
<kwd>nonwoven fabrics</kwd>
<kwd>shell theory</kwd>
<kwd>capstan equation</kwd>
<kwd>abrasion dermatitis</kwd>
<kwd>incontinence</kwd>
<kwd>free boundary</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">R204/0511</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Dunhill Medical Trust<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000377</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="10"/>
<table-count count="1"/>
<equation-count count="43"/>
<ref-count count="37"/>
<page-count count="16"/>
<word-count count="9795"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Pressure ulcers are an area of localized cutaneous damage typically associated with pressure from bony protuberances on aged skin. They can develop when a large amount of pressure is applied to an area of skin over a short period of time or occur when less pressure is applied over a prolong period of time. When pressure is applied to soft tissue, it may result in completely or partially obstructed blood flow to the soft tissue, starving the tissue of oxygen and nutrients, which eventually leads to necrosis in the affected area, and thus an ulcer. Shear (i.e., constant and prolonged static friction) is also a cause, as it can pull on blood vessels that feed the skin, consequently restricting the blood flow. Pressure ulcers often occur in very sedentary individuals, such as those with impaired mobility (Maklebust and Sieggreen, <xref ref-type="bibr" rid="B24">2001</xref>).</p>
<p>It is assumed that friction contributes to skin damage via stripping of the epidermal layer of the skin, creating an environment conducive to further skin damage due to friction. An alteration in the coefficient of friction increases the skin&#x00027;s adherence to the outside surface, which can eventually lead to wounds and infections. A publication by Murray et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B26">2001</xref>) highlights many preventive measures for pressure ulcers. For example, to eliminate shear and friction, it is recommended that the exposed skin is covered by protective dressings, padding or sheepskin. For those who are bedridden, elevating the foot of bed to 20&#x000B0; is advised when sitting to prevent sliding as well as maintaining the head of the bed at the lowest possible elevation, consistent with the individual&#x00027;s medical condition and comfort.</p>
<p>Athletes, due to excessive movement, are also subject to repeated mechanical trauma to the skin, which is often painful (Bergfeld and Taylor, <xref ref-type="bibr" rid="B6">1985</xref>). Conditions such as fissure of the nipple (Powell, <xref ref-type="bibr" rid="B28">1983</xref>; Conklin, <xref ref-type="bibr" rid="B8">1990</xref>) and friction blisters (Herring and Richie, <xref ref-type="bibr" rid="B18">1990</xref>) are well documented traumas to the skin caused by friction. It is also established that friction plays a role in the development of dermatitis in other settings. In many cases, it is observed that friction damages the stratum corneum and the stratum basale to varying degrees (Wilkinson, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1985</xref>). Friction is also believed to play a significant role in incontinence-associated dermatitis with published literature on the coefficient of friction (measuring techniques and actual measurements) between human skin and fabrics in incontinence related publications (Berg, <xref ref-type="bibr" rid="B5">1987</xref>; Cottenden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B10">b</xref>; Cottenden and Cottenden, <xref ref-type="bibr" rid="B11">2009</xref>). The NHS estimates that between 3 and 6 million adults in the UK have some degree of urinary incontinence (Irwin et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2006</xref>), and the prevalence is set to increase due to an aging population. It is documented that the wearing of incontinence pads over prolong periods of time is a major cause of incontinence associated dermatitis. Although the pads absorb moisture, they can also act as a barrier that prevents water from escaping. This leads to over-hydration of the stratum corneum in the epidermis (i.e., the upper most part of the skin). Scheuplein and Blank (<xref ref-type="bibr" rid="B30">1971</xref>) found that an increase in skin hydration leads to an increase in the thickness of the stratum corneum, resulting in a weakening of the cell structure. Moreover, tests conducted on adults and on infants showed that over-hydration of the stratum corneum is responsible for a threefold increase in the coefficient of friction.</p>
<p>It is estimated that over 400, 000 individuals develop a new pressure ulcer annually in the UK (mainly the elderly) and approximately 51, 000 of them will be admitted to hospital (Farage et al., <xref ref-type="bibr" rid="B13">2007</xref>). A study conducted in 1993 showed that the cost to the NHS of treating pressure ulcers was around &#x000A3;180 &#x02212; &#x000A3;321 million, approximately 0.4&#x02013;0.8% of total health spending (Touche, <xref ref-type="bibr" rid="B35">1993</xref>). However, more recently this figure was considered to be a substantial underestimate, even allowing for inflation (Bennett et al., <xref ref-type="bibr" rid="B4">2004</xref>). Bennett et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B4">2004</xref>) found that the cost of treating pressure ulcers in UK (excluding methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), surgical interventions and litigation costs) ranges between &#x000A3;1.4 to &#x000A3;2.1 billion annually, which is over 4% of gross NHS expenditure. The costs were deduced by estimating the daily cost of the resources required to deliver protocols of care reflecting good clinical practice. In the USA, the Omnibus Budget Reconciliation Act in 1987 made it easier for claimants to prove that a provider had been negligent following the development of pressure ulcers. Between 1992 and 1996, the median settlement value following successful litigation for negligence regarding a pressure ulcer was $279,000 (Thomson and Brooks, <xref ref-type="bibr" rid="B34">1999</xref>).</p>
<p>The above evidence strongly indicates that preventive measures are immensely important. Lowering the prevalence of pressure ulcers should lead to fewer resources being spent their treatment, thus reducing overall spending in the NHS. To design new products and protocols that reduce skin damage, there has been a great deal of experimental work aiming to accurately quantify the mechanical forces generated by fabrics and other materials in contact with human skin and its response (Dowson, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1996</xref>; Sivamani et al., <xref ref-type="bibr" rid="B32">2003</xref>; Silver et al., <xref ref-type="bibr" rid="B31">2003</xref>; Cottenden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2008b</xref>). In these experiments it is vital to quantify the relationship between normal and tangential forces across the contact region and this is often achieved by determining a coefficient of friction (Gwosdow et al., <xref ref-type="bibr" rid="B17">1986</xref>; Zhang and Mak, <xref ref-type="bibr" rid="B37">1999</xref>; Cottenden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2008b</xref>).</p>
<p>In recent years, the UCL Continence &#x00026; Skin Technology group has developed and validated a novel method for measuring friction between fabrics and skin (Cottenden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B10">b</xref>), as well as developing mathematical models (Cottenden and Cottenden, <xref ref-type="bibr" rid="B11">2009</xref>) to determine coefficients of friction. One aim of this research is to predict the magnitude of potentially damaging frictional forces generated between skin in contact with certain fabrics, such as the nonwoven materials used in incontinence pads. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref> shows the basic setup of the experiments and a typical force trace obtained by the tensometer measurements. The tensometer is used to measure the force needed to drag a strip of nonwoven fabric (30 mm wide in the work referenced here) over the volar forearm of a volunteer while a weight (an applied mass, <italic>m</italic>) is attached to the other end of the strip. The arm is supported such that its upper surface, in the vicinity of the fabric strip, is held horizontal and at the same height as the tensometer grips, while the other end of the strip hangs vertically in a plane perpendicular to the pull direction of the tensometer. The angle of the arc of contact between the arm and strip is typically &#x003C0;/2 although, in the group&#x00027;s work using arm phantoms (Cottenden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>), angles other than &#x003C0;/2 were achieved by adjusting the height of the tensometer grips relative to the arm phantoms.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p><bold>Basic setup of experiments to determine the coefficients of friction and a plot of a typical tensometer trace from Cottenden et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B10">b</xref>)</bold>. Image courtesy of Dr. Sabrina Falloon, UCL.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0001.tif"/>
</fig>
<p>One remarkable aspect of the experimental results obtained is that their rather simple capstan-type model (Rao et al., <xref ref-type="bibr" rid="B29">2003</xref>; Jung et al., <xref ref-type="bibr" rid="B21">2008</xref>), based only on the ratio of tensions at either end of the fabric strip and the arc of contact, appears able to produce reliable values for the coefficient of friction from experiments with various applied weights across different human subjects. This is despite the fact that during experiments significant skin deformation, rucking and wrinkling is often observed (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>).</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>Pictures of deformation in the skin and underlying soft tissue generated during measurements of friction between strips of nonwoven fabric and the volar forearms of female volunteers</bold>. Forearms were held horizontal while a tensometer pulled nonwoven strips over the skin surface with an applied mass secured to the opposite (hanging) end of the fabric (10 and 70g). Images courtesy of Dr. Sabrina Falloon, UCL. The work was conducted with the approval of London Stanmore Research Ethics Committee and The Whittington Hospital NHS R&#x00026;D office, September 2011.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0002.tif"/>
</fig>
<p>The capstan equation is the most perfect example of a belt-friction model, which describes behavior of a belt-like object moving over a rigid obstacle subjected to friction (Rao et al., <xref ref-type="bibr" rid="B29">2003</xref>). Consider a membrane (i.e., a two-dimensional elastic body) with zero-Poisson&#x00027;s ratio or a <italic>string</italic> (i.e., a one-dimensional elastic body with arbitrary Poisson&#x00027;s ratio) over a <italic>rough</italic> rigid cylinder subject to appropriate boundary conditions such that the body in question is at <italic>limiting equilibrium</italic>, in other words it is at the point of slipping. This is a simple belt-friction problem and its properties are well-described by the capstan equation. However, we ask: what if our rigid contact body is no longer a cylinder, but some arbitrary geometry? Should a simple capstan equation apply to these geometries? Would a capstan-type equation still apply in the case where the underlying body is not rigid but <italic>deformable</italic>. Are the coefficients of friction obtained by a capstan equation reliable in such cases? These questions are the main focus of this paper and we examine the aspects of geometry and deformability of the underlying body separately in Sections 2 and 3 respectively.</p>
<p>In Section 2, we look at a thin membrane pulled dynamically at a constant speed over a rigid body. The section begins by introducing the capstan equation and highlighting some experimental data on arm phantoms that does not fit the predictions of the capstan model. We then extend an established model for Coulomb&#x00027;s law of static friction (Kikuchi and Oden, <xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) to curvilinear coordinates and use it in conjunction with a numerical model of a thin membrane pulled dynamically over a rigid body to investigate how the calculated coefficient of friction varies with (i) membrane parameters such as Poisson&#x00027;s ratio, Young&#x00027;s modulus and mass density; (ii) the speed and the applied tensions at the membrane edges; and (iii) the underlying geometry of the body, specifically, the Gaussian curvature. In Section 3, we examine the behavior of shells supported by elastic foundations when subjected to a friction condition. Faced with a free-boundary problem at the contact region, we use the same model for Coulomb&#x00027;s law of static friction (Kikuchi and Oden, <xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) to derive a more computationally tractable displacement-based static friction condition. We then take the overlying shell theory and use the displacement-based friction condition to transform the model into a constrained elastic two-body contact problem and explicitly derive the governing equations and the boundary conditions for the static friction problem of a thin shell-membrane on an elastic foundation. Finally, we present some numerical results to examine how the thickness and elasticity of the foundation affect the displacement and shear stress across the contact region. Discussion and conclusions follow in Section 4.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. Modeling a non-woven fabric as a membrane supported by a rigid foundation with friction</title>
<sec>
<title>2.1. Capstan equation and applications in friction modeling</title>
<p>The capstan equation or, as otherwise known, Euler&#x00027;s equation of tension transmission, is the relationship governing the maximum applied tension <italic>T</italic><sub>max</sub> with respect to the minimum applied tension <italic>T</italic><sub>0</sub> of an elastic string wound around a rough cylinder. The governing equation is given by</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003B8; is the contact angle and &#x003BC;<sub><italic>F</italic></sub> is the coefficient of friction. By <italic>string</italic> we mean a one-dimensional elastic body and <italic>rough</italic> is an engineering term implying that the contact area exhibits friction. Note that the coefficient of friction is the physical ratio of the shear force and the normal force between two contacting bodies. In engineering, the capstan equation describes a body under a load, in equilibrium, involving friction between rope and a wheel-like circular object, and thus it is widely used to analyse the tension transmission behavior of cable-like bodies in contact with circular profiled surfaces (Jung et al., <xref ref-type="bibr" rid="B21">2008</xref>; Baser and Konukseven, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2010</xref>) as well as in the field of robotics (Behzadipour and Khajepour, <xref ref-type="bibr" rid="B3">2006</xref>).</p>
<p>As an example of the application of a capstan-type equation to experimental results, consider the results of Cottenden et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>) where the coefficient of friction is determined from experiments as that shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref> of a non-woven fabric strip in contact with various arm phantoms made from Plaster of Paris and covered in Neoprene. Note, in particular, Figure 11 of Cottenden et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>) which shows the coefficients of friction obtained with different geometries, applied weights, and contact angles. While the capstan equation proves quite successful in obtaining coefficients of friction, the authors observe a steady increase in the mean coefficient of friction as the applied weight increases. Such dependence contradicts the assumptions of Equation (1). There is also variation in the coefficients of friction measured across different geometries and contact angles which seems to get wider as the applied mass is reduced. The authors acknowledge the apparent dependence of the coefficient of friction on the applied weight in Cottenden et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B9">2008a</xref>) but highlight that the mean variation is small compared to the scatter of the data. The authors suggest that the departure from the capstan equation is likely to be caused by an interaction between the Neoprene on the underlying body and the moving nonwoven fabric at large tension.</p>
<p>The raw data of the case of a fabric strip in contact with an arm phantom of cylindrical cross section with a <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>127</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>360</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula> contact angle can be found in Karavokiros&#x00027; masters thesis (see table 2a of Karavokiros, <xref ref-type="bibr" rid="B22">2007</xref>); for convenience, this raw data is reproduced here in Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref>. The table shows five repeated measurements involving dragging the fabric strip over the arm phantom with different applied masses (<italic>m</italic> in Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>). Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> is a plot using these data of the measured tension ratio &#x003B4;&#x003C4; &#x0003D; <italic>T</italic><sub>max</sub>/<italic>T</italic><sub>0</sub>, vs. the applied mass, where the mean ratio obtained for each applied mass is also shown. Note that Equation (1) implies that the tension ratio is constant for all applied masses, i.e., &#x003B4;&#x003C4; &#x0003D; exp(&#x003BC;<sub><italic>d</italic></sub>&#x003B8;<sub>0</sub>), where &#x003BC;<sub><italic>d</italic></sub> and &#x003B8;<sub>0</sub> are constants. However, Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> suggests as the applied mass increases, the tension ratio increases also. Of course, such an effect could be attributed to a number of factors, including experimental errors, but one possibility is that the standard capstan equation is simply not valid in these cases. To test this, we now develop two, more sophisticated, three-dimensional numerical models of a thin compliant sheet over an underlying body and vary the geometry and material properties of both the thin sheet and underlying body, as well as the applied tensions.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p><bold>Tensometer readings: Plaster of Paris cylinder covered in Neoprene with <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>127</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>360</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:math></inline-formula> contact angle, where <italic><bold>g</bold></italic> is the acceleration due to gravity</bold>.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Applied Mass</bold></th>
<th valign="top" align="center" colspan="6" style="border-bottom: thin solid #000000;"><bold>Recorded Tension (</bold><italic><bold>F</bold></italic><bold>) 10</bold><sup><bold>&#x02212;3</bold></sup><bold>N</bold></th>
</tr>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>(<italic>m</italic>) in grams</bold></th>
<th valign="top" align="center" colspan="5"><bold>Repeat Measurements</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Mean</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">10</td>
<td valign="top" align="left">16.0 g</td>
<td valign="top" align="left">15.0 g</td>
<td valign="top" align="left">15.0 g</td>
<td valign="top" align="left">15.0 g</td>
<td valign="top" align="left">16.0 g</td>
<td valign="top" align="left">15.6 g</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">30</td>
<td valign="top" align="left">51.0 g</td>
<td valign="top" align="left">54.0 g</td>
<td valign="top" align="left">51.0 g</td>
<td valign="top" align="left">50.0 g</td>
<td valign="top" align="left">51.0 g</td>
<td valign="top" align="left">51.4 g</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">50</td>
<td valign="top" align="left">88.0 g</td>
<td valign="top" align="left">87.0 g</td>
<td valign="top" align="left">89.0 g</td>
<td valign="top" align="left">87.0 g</td>
<td valign="top" align="left">90.0 g</td>
<td valign="top" align="left">88.2 g</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">70</td>
<td valign="top" align="left">125 g</td>
<td valign="top" align="left">124 g</td>
<td valign="top" align="left">128 g</td>
<td valign="top" align="left">122 g</td>
<td valign="top" align="left">124 g</td>
<td valign="top" align="left">125 g</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p><italic>Applied mass m and tension F refer to the experimental schematic in Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>. Data courtesy of Karavokiros (<xref ref-type="bibr" rid="B22">2007</xref>)</italic>.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Tension ratio against applied mass from the raw experimental data in Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref> obtained from Karavokiros (<xref ref-type="bibr" rid="B22">2007</xref>)</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Belt-friction model</title>
<p>In this section, we derive a pure-traction belt-friction model to describe the behavior of dynamic membranes supported by static rigid foundations.</p>
<p>Let &#x003C9; &#x02282; &#x0211D;<sup>2</sup> be a simply connected open bounded domain with the sufficiently smooth boundary &#x02202;&#x003C9; and let <bold>&#x003C3;</bold> &#x02208; <italic>C</italic><sup>2</sup>(&#x003C9;; <bold>E</bold><sup>3</sup>) be an injective immersion. Now assume that an isotropic elastic membrane is in contact with a rigid surface with positive mean curvature initially such that, in the stress-free configuration of the membrane, the contact area can be parameterized by the immersion <bold>&#x003C3;</bold>(<italic>x</italic><sup>1</sup>, <italic>x</italic><sup>2</sup>) in curvilinear coordinates. Now we assert that the membrane is dynamic but the contact area remains static and constant as &#x003C9;. Invoking a similar terminology to that of Cottenden and Cottenden (<xref ref-type="bibr" rid="B11">2009</xref>), the governing Cauchy momentum equations for the membrane stress &#x003C4;<sup>&#x003B1;&#x003B2;</sup> (&#x003B1;, &#x003B2; &#x0003D; 1, 2) in tangential and normal directions can be derived thus</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with the boundary conditions</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic><bold>u</bold></italic> &#x02208; <italic>C</italic><sup>2</sup>(&#x003C9;; &#x0211D;<sup>2</sup>) is the displacement field and &#x003F1; is the mass density of the membrane, <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an external loading field, <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the shear force densities, <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the normal reaction density, <italic><bold>n</bold></italic> &#x02208; <italic>C</italic><sup>0</sup>(&#x003C9;; &#x0211D;<sup>2</sup>) is the unit outward normal to the boundary and <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C4;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the traction field applied to the boundaries of the membrane. The covariant <italic>second fundamental form tensor</italic> of <bold>&#x003C3;</bold> with respect to the curvilinear coordinates is defined as</p>
<disp-formula id="E5"><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unit normal to the surface <bold>&#x003C3;</bold>, &#x000D7; is the Euclidean cross product and || &#x000B7; || is the Euclidean norm.</p>
<p>Notice that this is a pure-traction problem. This implies that the boundary traction field <bold>&#x003C4;</bold><sub>0</sub> cannot be arbitrary chosen. To proceed, we assume that the velocity, the acceleration and the force density fields are known and fixed prior to the problem. Typically here, in line with the tensometer experiments, we assume that the membrane moves at a given constant speed. The time-dependent translational part of the displacement is thus easily subtracted out, leaving the residual displacement <italic>u</italic><sup>&#x003B2;</sup>. We now invoke the compatibility condition for pure-traction problems (see Section 1.3.4 of Necas et al., <xref ref-type="bibr" rid="B27">2011</xref> or Section 1.8 of Ciarlet, <xref ref-type="bibr" rid="B7">2000</xref>) to find</p>
<disp-formula id="E6"><label>(5)</label><mml:math id="M13"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <bold>&#x003F5;</bold>(&#x000B7;) is the strain tensor of a true-membrane. The compatibility condition implies that the internal forces are balanced by all the applied external forces.</p>
<p>Suppose now that the contact area is rough and the friction law governing this region is given by the model in chapter 10 of Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) for Coulomb&#x00027;s law of static friction for the slip case. For a flat contact surface with normal (compressive) and tangential stress fields given by &#x003C3;<sub><italic>n</italic></sub> and <bold>&#x003C3;</bold><sub><italic>T</italic></sub> respectively, Coulomb&#x00027;s law of static friction can be expressed by the following relationship between these surface stresses and the tangential displacement field <italic><bold>u</bold></italic><sub><italic>T</italic></sub>:</p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M14"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;for&#x000A0;some&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02A7E;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here, &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> is the coefficient of friction in respect to Coulomb&#x00027;s law of friction. Kikuchi and Oden point out that it is not possible to mathematically analyse a variational problem for Coulomb&#x00027;s law using conventional mathematical methods. As a result, the question of existence of solutions to such friction problems remains an open one. To circumvent this difficulty, Kikuchi and Oden propose the following regularized version of the static friction law involving a small parameter &#x003B5;:</p>
<disp-formula id="E8"><label>(6)</label><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02003;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02A7E;</mml:mo><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E9"><label>(7)</label><mml:math id="M16"><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02003;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>In the limit &#x003B5; &#x02192; 0, Coulomb&#x00027;s original law of static friction is recovered. For the slip case, we assume the first condition holds for large tangential displacements which, on converting this to a membrane in contact with a rigid surface in curvilinear coordinates, yields</p>
<disp-formula id="E10"><label>(8)</label><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We now rearrange the compatibility condition Equation (5) and use Coulomb&#x00027;s law of friction Equation (8) to find a relationship between the coefficient of friction and the external loadings, given by</p>
<disp-formula id="E11"><label>(9)</label><mml:math id="M18"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>w</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>H</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>v</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The residual displacement <italic>u</italic><sup>&#x003B2;</sup> and <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> give us five unknowns and Equations (2), (3), and (8) provide us with five equations. Thus, the system is fully determined with boundary conditions Equation (4). Furthermore, Equation (9) provides us with a stronger system as if the coefficient of friction is unknown then a known traction can close the system and vice versa.</p>
<p>While it is a closed system, it is not straightforward to prove that a solution exists for this model. The problem of proving the existence of solutions arises from the function <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as it is a function of both <italic><bold>u</bold></italic> and <bold>&#x02207;</bold><italic><bold>u</bold></italic>. If <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was purely a function of <italic><bold>u</bold></italic>, then the existence of solutions may be proved by variational methods for semi-linear elliptic equations (see Badiale and Serra, <xref ref-type="bibr" rid="B1">2010</xref>) but with the <bold>&#x02207;</bold><italic>u</italic> dependence, our model is not even a variational problem. Nevertheless, a numerical finite-difference solution is pursued in the next section.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.3. Numerical analysis</title>
<p>To conduct numerical experiments, assume that we are dealing with a surface of revolution case where both the contact surface and the unstressed membrane are parameterized by the same immersion. Let this immersion be <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;sin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <italic>x</italic><sup>1</sup> &#x02208; (0, <italic>l</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To permit changes in lateral curvature we assert that <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>c</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where, initially, to keep the contact area as a surface of positive mean curvature, <italic>c</italic> is a positive parameter with <italic>c</italic> &#x0003C; <italic>r</italic><sub>0</sub>. Note that <italic>l, r</italic><sub>0</sub> are some positive real constants that are specified later. With some calculations, we find the first fundamental form tensor to be <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">[I]</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></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:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><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:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With a few more calculations one can find that</p>
<disp-formula id="E12"><mml:math id="M28"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02032;</mml:mo><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the Christoffel symbols of the second kind and <italic><bold>F</bold></italic><sub>[II]</sub> is the second fundamental form tensor. Now given that <italic><bold>u</bold></italic> = (<italic>u<sup>1</sup></italic>(<italic>x</italic><sup>1</sup>, <italic>x</italic><sup>2</sup>), <italic>u</italic><sup>2</sup>(<italic>x</italic><sup>1</sup>, <italic>x</italic><sup>2</sup>)) is the displacement field, one can derive the following:</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M30"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Now assume that our membrane is subjected to the acceleration of gravity i.e., subject to (0, 0, &#x02212;<italic>g</italic>)<sub><italic>E</italic></sub> in Cartesian coordinates. With coordinate transforms, from Euclidean to curvilinear, one may re-express acceleration due to gravity in the curvilinear coordinates as <italic>g<bold>J</bold></italic>, where</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>J</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and <italic>x</italic><sup>2</sup> is the angle that the vector (&#x003C8;<sub>1</sub>, &#x003C8;<sub>2</sub>, 0) makes with the vector (0, 0, 1)<sub><italic>E</italic></sub>.</p>
<p>Now given that &#x003F1; is the mass density, (0, 0, 0) is the acceleration field and <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the velocity field of the membrane, then we can express the governing equations of the membrane as</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M33"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E16"><mml:math id="M34"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x0039B; &#x0003D; 2&#x003BB;&#x003BC;(&#x003BB; &#x0002B; 2&#x003BC;)<sup>&#x02212;1</sup> and &#x003BB; and &#x003BC; are the first and second Lam&#x000E9; parameters respectively. Assuming that our contact area is rough, the final governing equation required is the friction law Equation (8) where the coefficient of friction &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> is considered to be an unknown.</p>
<p>Now divide the boundary into sub-boundaries, so that</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M35"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and we assert that the boundary conditions are</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M36"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>traction</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>traction</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C4;<sub>max</sub> &#x0003E; &#x003C4;<sub>0</sub> are positive real constants.</p>
<p>Finally, we take Equation (9) and modify it ever so slightly to make it easier to numerically model, thus obtaining the following relation,</p>
<disp-formula id="E19"><label>(10)</label><mml:math id="M37"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x00393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Now we are ready to conduct some numerical experiments. Our goal in this section is to investigate how variables such as the Gaussian curvature, Young&#x00027;s modulus, Poisson&#x00027;s ratio, speed and the mass density of the membrane and the traction may affect the value of the coefficient of friction obtained. Note that for our experiments, we keep the values &#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1, <italic>l</italic> &#x0003D; 1, <italic>r</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 1 and <italic>g</italic> &#x0003D; 9.81 fixed.</p>
<p>To conduct numerical experiments, we employ a second-order accurate finite-difference method in conjunction with Newton&#x00027;s method for nonlinear systems. On discretising the domain, as we are dealing with curvilinear coordinates, we find that <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mi>&#x00394;</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:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, for all <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02223;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where &#x00394;<italic>x</italic><sup>&#x003B2;</sup> is a small increment in the <italic>x</italic><sup>&#x003B2;</sup> direction. For our purposes we use <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mi>&#x00394;</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:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <italic>N</italic> &#x0003D; 250. We also choose to terminate our iterating process once |1 &#x02212; &#x003BD;<sub><italic>Fm</italic>&#x0002B;1</sub>/&#x003BD;<sub><italic>Fm</italic></sub>| falls below a certain specified tolerance, where &#x003BD;<sub><italic>Fm</italic></sub> is the <italic>m</italic><sup>th</sup> iterative solution for the coefficient of friction. Note that to numerically model Equation (10), we use the prismoidal formula (Meserve and Pingry, <xref ref-type="bibr" rid="B25">1952</xref>). Unfortunately, as this is a pure-traction problem iterative schemes can be highly unstable and so, to ensure convergence, the condition <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is strictly enforced.</p>
<p>We initially ran the numerical code using the following values: <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>c</italic> &#x0003D; 0, <italic>E</italic> &#x0003D; 10<sup>3</sup>, <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>V</italic> &#x0003D; 0.01, &#x003F1; &#x0003D; 0.01 and with a grid of 160 &#x000D7; 250 points. The grid size <italic>N</italic> was varied to confirm accuracy of the converged solution. The coefficient of friction calculated in this case is &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> &#x0003D; 0.195 to three significant figures. We now proceed to investigate how the variation in certain parameters may change this value and thus see whether this differs from the value predicted by the classical capstan model Equation (1).</p>
<p>We begin by varying the tension applied to the membrane. Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> is calculated with the values of &#x003C4;<sub>max</sub> &#x02208; {1.25, 1.30, 1.35, &#x02026; 2.00}, <italic>c</italic> &#x0003D; 0, <italic>E</italic> &#x0003D; 10<sup>3</sup>, <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>V</italic> &#x0003D; 0.01 and &#x003F1; &#x0003D; 0.01. It shows that as the tension ratio increases, the coefficient of friction also increases. This is intuitive because, as the maximum applied tension increases, the coefficient of friction must increase to maintain a constant speed. Equation (1) predicts a similar trend and so agreement with the classical capstan model seems quite good although the figure shows that the numerical code produces consistently lower values. The principal reason for the discrepancy is the non-zero mass density of the fabric which is investigated below.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p><bold>Coefficient of friction relative to &#x003B4;&#x003C4; &#x0003D; &#x003C4;<sub><bold>max</bold></sub>/&#x003C4;<sub><bold>0</bold></sub> calculated using our numerical model and compared to the standard capstan result: <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo class="qopname">ln</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:math></inline-formula></bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0004.tif"/>
</fig>
<p>Varying Poisson&#x00027;s ratio &#x003BD;, the Young&#x00027;s modulus <italic>E</italic> and the speed of the membrane <italic>V</italic> do not lead to any significant changes in the coefficient of friction. But when we examine varying the mass density of the fabric we find significant alterations to the coefficient of friction determined by the model. Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> is calculated for three different applied tensions: &#x003C4;<sub>max</sub> &#x02208; {1.50, 1.75, 2.00}, with values <italic>c</italic> &#x0003D; 0, <italic>E</italic> &#x0003D; 10<sup>3</sup>, <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>V</italic> &#x0003D; 0.01 and &#x003F1; &#x02208; {0, 0.003, 0.006, &#x02026;, 0.03}. This shows as the mass density (with respect to the volume) of the membrane increases, the coefficient of friction decreases markedly in all cases. As &#x003C1; &#x02192; 0 the coefficient of friction obtained from Equation (1), e.g., (2/&#x003C0;) ln(3/2) &#x0003D; 0.258&#x02026;&#x02009;, is attained, but even a small mass density, &#x003C1; &#x0003D; O(10<sup>&#x02212;3</sup>) for instance, can lead to the accuracy being significantly reduced to only one significant figure. This feature is ignored in typical capstan equation calculations.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p><bold>Coefficient of friction relative to &#x003C1; for three different values of &#x003C4;<sub><bold>max</bold></sub>/&#x003C4;<sub><bold>0</bold></sub> &#x0003D; [1.50,1.75,2.00]</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0005.tif"/>
</fig>
<p>Finally, let us examine what effect varying the Gaussian curvature <italic>K</italic> has on the coefficient of friction. Note that, for our given geometry, <italic>K</italic> is a function of <italic>x</italic><sup>1</sup>, and thus it varies across the contact surface. As our curvature parameter <italic>c</italic> changes the Gaussian curvature changes across the contact surface. For <italic>c</italic> &#x0003D; 0, <italic>K</italic> &#x0003D; 0 everywhere. For <italic>c</italic> &#x0003E; 0 the contact surface is a barrel-shape with non-negative (i.e., positive or zero) Gaussian curvature whereas for <italic>c</italic> &#x0003C; 0 the contact surface is a saddle-shape with non-positive (i.e., negative or zero) Gaussian curvature across the contact area. This implies that there exists a positive correlation between <italic>c</italic> and <italic>K</italic>, i.e., as <italic>c</italic> increases so does <italic>K</italic> and so we investigate how <italic>c</italic> relates to &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub>. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref> is calculated for non-negative Gaussian curvatures with the values of &#x003C4;<sub>max</sub> &#x02208; {1.50, 1.75, 2.00}, and <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>E</italic> &#x0003D; 10<sup>3</sup>, <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>V</italic> &#x0003D; 0.01, and &#x003F1; &#x0003D; 0.01. The three plots in the figure for different tension ratios demonstrate that as <italic>c</italic> increases (i.e., Gaussian curvature increases) the coefficient of friction decreases and there exists an optimum value of <italic>c</italic>, where the coefficient of friction is at a minimum, given that all other variables are constant. For our simulations, this value is observed around <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The initial decrease in &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> as <italic>c</italic> increases is intuitive. To illustrate this, consider a membrane pulled over a surface with high curvature. The higher curvature would leads to higher normal reaction force which, in turn, results in a higher friction force and finally a higher maximum applied tension. Also inclusion of a nonzero lateral curvature (note that we are considering a case with two positive principal curvatures) means that a higher maximum applied tension is required to support the strains in the lateral direction. Thus, for even a relatively small coefficient of friction, a higher maximum applied tension can be observed. Hence, if one kept every variable fixed, except for the Gaussian curvature and the coefficient of friction, then one would expect to see a low coefficient of friction for a high Gaussian curvature. However, the existence of a minimum &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> for positive <italic>c</italic> is a surprising outcome suggesting a possible optimum Gaussian curvature that can lead to a minimum coefficient of friction. Conversely, it is possible numerically to extend our range of <italic>c</italic> values to include <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that represent saddle-type contact regions. These simulations suggest that such saddle-type contact regions lead to significantly higher values of &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> than for the zero-curvature case (Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>). Extending that range yet further to <italic>c</italic> &#x0003D; &#x02212;0.02 (not shown) suggests that no <italic>maximum</italic> coefficient of friction is attained but that the coefficient of friction continues to increase as <italic>c</italic> becomes more negative. Such intriguing variations in &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> captured by our model here cannot be simulated by the classical capstan model Equation (1).</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p><bold>Coefficient of friction relative to lateral curvature parameter <italic><bold>c</bold></italic> where the geometry has non-negative Gaussian curvative. Top</bold>: &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 2.00, <bold>Middle</bold>: &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1.75, <bold>Bottom</bold>: &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1.50.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p><bold>Coefficient of friction relative to <italic><bold>c</bold></italic> including geometries with positive and negative Gaussian curvature. Top:</bold> &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 2.00, <bold>Middle</bold>: &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1.75, <bold>Bottom</bold>: &#x003C4;<sub>max</sub>/&#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1.50.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0007.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Shell-membranes supported by elastic foundations with static friction</title>
<p>In this section, we examine the effect that the deformation of the underlying substrate has on the frictional forces generated in the region of contact. To do this, we derive a shell-membrane model to describe the behavior of an overlying compliant sheet on an elastic foundation subjected to static friction. However, such a computation requires our frictional law (e.g., Coulomb&#x00027;s law of static friction) to be imposed on a <italic>free boundary</italic> as the displacement across the contact region is unknown.</p>
<sec>
<title>3.1. Deriving a displacement-based frictional law</title>
<p>Recall Kikuchi and Oden&#x00027;s model (chapter 10 of Kikuchi and Oden, <xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) for Coulomb&#x00027;s law of friction for slip that we extended to curvilinear coordinates Equation (8). For the static case, by eliminating the regularization parameter &#x003B5; from their original Equations, (6) and (7), the friction law can be expressed in the following form</p>
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Unlike the rigid substrate case, this equation is extremely difficult to impose on a free contact boundary between shell-membrane and substrate in its present form. Therefore, a more computationally tractable displacement-based approximation is sought. Assume that <italic>u</italic><sup>&#x003B2;</sup> &#x02265; 0 and contract the above equation with <italic>u</italic><sup>&#x003B2;</sup>. Noting that in our framework <italic>g</italic><sub>33</sub> &#x0003D; 1, we thus find</p>
<disp-formula id="E21"><mml:math id="M53"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Now assume that this body is in contact with an elastic foundation, thus it permits normal displacements at the boundary, so we assert that only normal derivatives are of any consequence. Hence, we may approximate the above relation as</p>
<disp-formula id="E22"><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>To simplify matters further, we assert that the condition is independent of any elastic properties of the overlying body. This may be achieved by assuming &#x003BB; &#x0003D; 0, and thus we find</p>
<disp-formula id="E23"><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>By approximating the above condition even further, we arrive at the following hypothesis:</p>
<p>Hypothesis 1. <italic>A shell supported by an elastic foundation with a rough contact area, that has thickness small relative to the radius of mean curvature, satisfies the following displacement-based friction condition</italic></p>
<disp-formula id="E24"><label>(11)</label><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><italic>where</italic> &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> <italic>is the coefficient of friction between shell and the foundation, and <bold>u</bold> is the displacement field of the shell. If</italic> <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><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:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <italic>then we say that the the shell is bonded to the foundation, and if</italic> <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><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:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <italic>then we say that the shell is at limiting equilibrium</italic>.</p>
<p>The justifications for introducing the hypothesis are as follows. Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) assert that the variational form of a linear elastic body subjected to Coulomb&#x00027;s law of static friction, is non-convex and non-differentiable. Thus, the existence of a (unique or otherwise) solution is an open question that cannot be proven with conventional means. But we can show that the variational form, i.e., the energy functional of a linear elastic body, subjected to the displacement-based friction condition from this hypothesis is convex, coercive and differentiable, and thus proving the existence of solutions is perfectly possible. Also, unlike the model of Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>), our displacement-based condition is independent of the regularization parameter &#x003B5; and it is well defined for all finite values of <italic><bold>u</bold></italic>. Furthermore, we show that our problem can be numerically modeled without an initial guess of the purely normal stress, which is something Kikuchi and Oden&#x00027;s model is incapable of. Note, however, that we can guarantee that the condition from our hypothesis will hold as we have already asserted that the lower-surface of the shell is not hyperbolic and its mean curvature is positive. Thus, for sensible boundary conditions, we can always expect the normal displacement to be non-positive.</p>
<p>Does our hypothesized displacement-based friction law make physical sense? Well, consider two elastic blocks in a zero-gravity scenario, block-<italic>A</italic> at the top and block-<italic>B</italic> at the bottom, where the base of block-<italic>B</italic> satisfies the zero-Dirichlet boundary condition. Now assume that the contact area of both blocks is rough and that one is applying forces to both the top and to one side of block-<italic>A</italic> to mimic respectively compression and shear in the contact region. The higher the compression, the higher the normal displacement is toward the bottom, i.e., <italic>u</italic><sup>3</sup> &#x0003C; 0, and, the higher the shear, the higher the tangential displacement is in the direction of the applied tangential force. Just as for the case of Coulomb&#x00027;s friction, where the bodies are in respective equilibrium given that the magnitude of the normal stress is above a certain factor of the magnitude of the tangential stress, i.e., <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel='+1'><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we assert that the bodies are in equilibrium given that the normal displacement is below a certain factor of the magnitude of the tangential displacement, i.e., <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that this factor may or may not be <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, but this is the most mathematically logical factor we have derived.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.2. The governing equations</title>
<p>Let &#x003A9; &#x02282; &#x0211D;<sup>3</sup> be a connected open bounded domain that satisfies the segment condition with a uniform <italic>C</italic><sup>1</sup>(&#x0211D;<sup>3</sup>; &#x0211D;<sup>2</sup>) boundary &#x02202;&#x003A9; such that &#x003C9;, &#x02202;&#x003A9;<sub>0</sub> &#x02282; &#x02202;&#x003A9; with <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02229;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> &#x000D8; and meas<inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and let &#x003C9; &#x02282; &#x0211D;<sup>2</sup> be a connected open bounded plane that satisfies the segment condition with a uniform <italic>C</italic><sup>1</sup>(&#x0211D;<sup>2</sup>; &#x0211D;) boundary &#x02202;&#x003C9;. Let <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext mathvariant="bold">E</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a diffeomorphism and <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C3;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext mathvariant="bold">E</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be an injective immersion. Let <italic><bold>f</bold></italic> &#x02208; <italic><bold>L</bold></italic><sup>2</sup>(&#x003A9;), <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mo>&#x003C4;</mml:mo></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>For this section, we assume that <italic><bold>u</bold></italic> &#x02208; <italic>C</italic><sup>2</sup>(&#x003A9;; &#x0211D;<sup>3</sup>), <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><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:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> everywhere in &#x003C9;. For the elastic foundation we define <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</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:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be the second Piola-Kirchhoff stress tensor, <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be the linearized Green-St Venant stress tensor, <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</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:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be the elasticity tensor, <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x00112;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the first Lam&#x000E9; parameter, <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x00112;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the second Lam&#x000E9; parameter, <italic>&#x00112;</italic> as the Young&#x00027;s modulus and <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> as Poisson&#x00027;s ratio of the elastic foundation. Furthermore, <italic><bold>f</bold></italic> is some external force density field acting on the elastic foundation. The covariant <italic>first fundamental form tensor</italic> of <bold>&#x003C3;</bold> with respect to the curvilinear coordinates is defined as</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M77"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Also we regard the indices &#x003B1;, &#x003B2;, &#x003B3;, &#x003B4; &#x02208; {1, 2}. Furthermore, <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">[I]</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">[I]</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, &#x02200; &#x003B1;, &#x003B2; &#x02208; {1, 2}. The second fundamental form tensor is as defined above in Section 2.2.</p>
<p>The governing equations of the elastic foundation are given by</p>
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with the following boundary conditions:</p>
<disp-formula id="E27"><mml:math id="M80"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the unit outward normal to the boundary &#x02202;&#x003A9; in curvilinear coordinates.</p>
<p>Turning now to the overlying body, we assume that the body is so thin, and the bending moments are so small, that it can be approximated by a shell-membrane. For the shell-membrane we define <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be the stress tensor and <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be the negative of the change in the moments density tensor.</p>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>is then half the change in the first fundamental form tensor,</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M85"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>is the change in the second fundamental form tensor,</p>
<disp-formula id="E30"><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>is the elasticity tensor, &#x003BB; &#x0003D; (1 &#x02212; &#x003BD; &#x02212; 2&#x003BD;<sup>2</sup>)<sup>&#x02212;1</sup> &#x003BD;<italic>E</italic> is the first Lam&#x000E9; parameter, <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the second Lam&#x000E9; parameter, <italic>E</italic> is the Young&#x00027;s modulus and &#x003BD; is Poisson&#x00027;s ratio of the frictionally coupled shell. Tr<inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the normal stress of the foundation in the contact region, and <italic><bold>f</bold></italic><sub>0</sub> is some external force density field acting on the overlying shell.</p>
<p>The governing equations for the shell-membrane are determined by considering a variational problem based on the following energy functional:</p>
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M89"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><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:msup><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic><bold>u</bold></italic> is subject to the displacement-based friction condition Equation (11) and the region in which the shell is at limiting equilibrium is unknown prior to solving the problem. Following the detailed analysis in chapter 4 of Jayawardana (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2016</xref>), it is possible to obtain the following governing equations for the shell-membrane:</p>
<p><bold>if</bold> <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the <italic>bonded</italic> case), <bold>then</bold></p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M91"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold>if</bold> <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the <italic>limiting equilibrium</italic> case), <bold>then</bold></p>
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M93"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>6</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>6</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='true'>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mn>1</mml:mn></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Finally, the boundary conditions of the overlying shell are</p>
<disp-formula id="E34"><mml:math id="M95"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mtext>II</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic><bold>n</bold></italic> is the unit outward normal vector to the boundary &#x02202;&#x003C9; in curvilinear coordinates and <bold>&#x003C4;</bold><sub>0</sub> is the external traction field acting on the boundary of the overlying shell.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.3. Numerical experiments</title>
<p>To conduct numerical experiments, assume that we are dealing with a shell-membrane of thickness <italic>h</italic>, supported by an elastic foundation, where the unstrained configuration of the foundation has an annular cross-section, characterized by the diffeomorphism <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;sin</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>where&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and assume that the contact region lies within <italic>x</italic> &#x02208; (&#x02212;&#x02113;, &#x02113;), <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where 0 &#x0003C; &#x02113; &#x0003C; <italic>L</italic>. Let the sufficiently smooth field <italic><bold>u</bold></italic> &#x0003D; (<italic>u</italic><sup>1</sup>(<italic>x</italic>, &#x003B8;, <italic>r</italic>), <italic>u</italic><sup>2</sup>(<italic>x</italic>, &#x003B8;, <italic>r</italic>), <italic>u</italic><sup>3</sup>(<italic>x</italic>, &#x003B8;, <italic>r</italic>)) be the displacement field of the foundation. With some calculations one can find the metric tensor to be <italic><bold>g</bold></italic> &#x0003D; diag(1, <italic>r</italic><sup>2</sup>, 1) and the covariant derivatives to be</p>
<disp-formula id="E35"><mml:math id="M98"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>With further calculations, one can express the governing equations of the foundation as</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M99"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The boundary of the foundation can be decomposed into sub-boundaries as</p>
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M100"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x02216;</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, we can express the boundary conditions of the foundation as</p>
<disp-formula id="E38"><mml:math id="M101"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Dirichlet</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Let <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the displacement field of the shell-membrane. With some calculations, one can find the first fundamental form tensor to be <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">[I]</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="normal"><mml:mo class="MathClass-ord">diag</mml:mo></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the covariant derivatives to be</p>
<disp-formula id="E39"><mml:math id="M104"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Considering the case <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0226A;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with some further calculations one can express the governing equations of the shell-membrane as:</p>
<p>If <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, then</p>
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M107"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>If <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, then</p>
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M109"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mtext>Tr</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>u</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The boundary of the shell-membrane can be decomposed into sub-boundaries as</p>
<disp-formula id="E42"><mml:math id="M110"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, we can express the boundary conditions of the shell-membranes as</p>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M111"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>traction</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>traction</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>zero</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Robin</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>A second-order accurate finite-difference method is again employed in conjunction with Newton&#x00027;s method for nonlinear systems. A modestly fine grid is chosen and the iterative process is terminated once <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:math></inline-formula> falls below a certain value (10<sup>&#x02212;10</sup> in the calculations shown here). We attempt to model a stiff shell-membrane on a relatively flaccid foundation with a large coefficient of friction. To do so, we keep the values &#x003BD;<sub><italic>F</italic></sub> &#x0003D; 1, <italic>h</italic> &#x0003D; 0.001, <italic>a</italic> &#x0003D; 1, <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>E</italic> &#x0003D; 10<sup>3</sup>, <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, &#x003C4;<sub>0</sub> &#x0003D; 1 and &#x003C4;<sub>max</sub> &#x0003D; 2 fixed for all experiments. Note that some preliminary work in chapter 4 of Jayawardana (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2016</xref>) found that if (i) the overlying body is relatively thin, (ii) it has a relatively high Young&#x00027;s modulus, (iii) the coefficient of friction is high, and (iv) the mean curvature is a constant, then the solution for the shell model with friction is in relatively good agreement with a numerical model using Kikuchi and Oden&#x00027;s original friction law in chapter 10 of Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>), thus justifying the choice of our parameters.</p>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref> shows the total surface displacement and the total surface shear at the outer boundary of the foundation for varying &#x00112; (the Young&#x00027;s modulus of the foundation). The total displacement is calculated by <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the total shear is calculated by <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For these simulations, we asserted that <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <italic>&#x00112;</italic> &#x0003D; {10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100}. From Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref> one can see that as the Young&#x00027;s modulus of the foundation increases, the shear stress experienced on the underlying body surface increases, but the total displacement of the body decreases. Only the decrease in displacement, as the Young&#x00027;s modulus of the foundation increases, seems intuitive as when the Young&#x00027;s modulus increases, one would need to increase the amount of force applied to achieve the same amount of displacement. However, the increase in total surface shear is a more interesting result suggesting higher shear forces occur on the underlying surface as the body becomes stiffer despite the coefficient of friction remaining fixed.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p><bold>Displacement and the shear in the contact region for varying &#x00112;/<italic><bold>E</bold></italic></bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0008.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref> shows the total surface displacement and the total surface shear at the outer boundary of the foundation for varying <italic>a</italic><sub>0</sub>. For these experiments, we asserted that <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>&#x00112;</italic> &#x0003D; 10. From Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>, one can see that as the thickness of the foundation increases, both the total displacement and the shearing stress on the surface of the body increases. The increase in displacement as the thickness of the foundation increases seems intuitive as there is more deformable matter available to be displaced but this appears again to lead to higher shear stress in the contact region. To explore this further, our final figure (Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10</xref>) shows the total surface stress (shear <italic>and</italic> normal stresses) at the outer boundary of the foundation. The total surface stress is calculated by <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:msub><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>where&#x000A0;i</mml:mtext><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These plots indicate that not only does a thicker foundation experience higher shear stresses but increasingly higher normal stresses with a consequent increase in the likelyhood of potential damage to the underlying body.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p><bold>Displacement and the shear in the contact region for varying foundation thickness</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0009.tif"/>
</fig>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p><bold>Total surface stress (shear and normal) for varying foundation thickness</bold>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphys-08-00107-g0010.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s4">
<title>4. Conclusions</title>
<p>Two numerical models have been presented here that can provide insight into the forces generated by a compliant sheet of material under tension in contact with a rigid or deformable object. The aspects of geometry and deformability of the underlying body were examined separately by the mathematical models presented in Sections 2 and 3 respectively.</p>
<p>The model in Section 2 determines the coefficient of friction in the contact region between a thin membrane pulled dynamically at a constant speed and a rigid underlying body. The model of Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) for Coulomb&#x00027;s law of static friction was extended to curvilinear coordinates, and a numerical model was used to investigate how the calculated coefficient of friction varies with different material and physical parameters. For parameters such as Poisson&#x00027;s ratio of the membrane, Young&#x00027;s modulus of the membrane and the speed of the membrane there was no significant variation in the determined coefficient of friction; this indicates that a capstan-type approach lacking dependence on these parameters should still produce accurate results. However, changes to the mass density of the fabric and the lateral (and thus Gaussian) curvature of the underlying body appear to lead to significant variations in the determined coefficient of friction which would not be captured by a capstan model. Even a remarkably small mass density of the fabric (which is assumed to be negligible in the capstan model) leads to the capstan model overestimating the actual coefficient of friction. This effect can be, to a certain extent, attributed to the fabric weight contributing to the overall tension and how this impacts via the logarithmic relation between the coefficient of friction and the tension ratio.</p>
<p>In varying the Gaussian curvature of the underlying body, the numerical model suggests that for a saddle-type geometry (as seen in real experiments such as Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>) the capstan approach may lead to a significant underestimate of the coefficient of friction. On the other hand, for a barrel-type geometry with positive Gaussian curvature the converse is true with the capstan equation potentially overestimating the coefficient of friction. The numerical model also indicates the intriguing possibility of an optimal barrel-type geometry where the coefficient of friction is minimized&#x02014;a surprising result that certainly requires further investigation. We note, in passing, that the effect curvature appears to have on the coefficient of friction here possesses some similarities to how Kelvin&#x00027;s equation governs equilibrium vapor pressure over a curved surface (Skinner and Sambles, <xref ref-type="bibr" rid="B33">1972</xref>; Fisher and Israelachvili, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1981</xref>) and how grain shape and size modify the rate of complex matter agglomeration (Gadomski and Rub&#x00131;, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2003</xref>).</p>
<p>The model developed in Section 3 is for a thin shell-membrane under tension in frictional contact with an elastic foundation where static friction is imposed in the region of contact. The fact that our frictional law (e.g., Coulomb&#x00027;s law of static friction) must now be imposed on a <italic>free boundary</italic> because we no longer know <italic>a priori</italic> the location of the contact region significantly increases the computational complexity. To combat this, a modified, more computationally tractable, displacement-based static friction condition is derived from the model of Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) for Coulomb&#x00027;s law of static friction in curvilinear coordinates. We can show that a set of governing equations for a two-body contact problem that incorporates this displacement-based static friction condition yields a unique solution. A numerical scheme for the two-body static friction contact problem is then developed where, this time, the coefficient of friction is specified. Using this model, we examine how the normal and tangential stresses and displacements computed by the model vary as we vary the stiffness and thickness of the underlying body. For a shell-membrane supported by an elastic foundation subjected to static friction we observe the following: (i) that as the Young&#x00027;s modulus of the elastic body increases, the magnitude of the displacement of the body surface decreases; (ii) that as the Young&#x00027;s modulus of the elastic body increases, the magnitude of the tangential shear stresses acting on the surface of body increases; (iii) that as the thickness of the elastic body increases, the magnitude of the surface displacements of the body increases; and (iv) that as the thickness of the elastic body increases, the magnitude of the tangential shear stresses acting on the body surface increases.</p>
<p>The shell-membrane in contact with a deformable elastic foundation model appears to indicate that both elastic and geometrical properties of the elastic foundation significantly affect the stress and deformation of the underlying tissue. This is reflected in the numerical results via a strong positive correlation between the thickness of the foundation and the amount of stress transferred from the shell-membrane to deforming the foundation. Indeed, with the applied tension and coefficient of friction fixed in the numerical model, the amount of stress experienced by the underlying elastic body appears to depend rather significantly on its geometry (thickness and curvature) and elastic properties, which are features that are neglected by capstan-type model approaches.</p>
<p>The models presented in this paper highlight some very interesting results and lead to a number of questions which should be pursued in terms of experimental design and to improve quantification of the frictional forces generated by nonwoven fabrics. One important issue is to examine how to measure the curvature of the contact region and designing experiments that can see how curvature affects the relationship between normal and tangential forces in the contact region. It would also be wise to test if the experimental results are indeed sensitive to variations in the mass density of the fabric. An extended capstan model that incorporates mass density is proposed in Jayawardana (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2016</xref>) and other modifications to the capstan model could be considered. Experiments involving deformable underlying bodies with well-known material parameters would be useful to validate our second model and further our understanding about how experiments on quantifying frictional forces involving human subjects should deal with significant skin deformation, such as in the examples shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>.</p>
<p>Some future work is planned for the models presented, including proving the existence of a unique solution in the model of Section 2 and validating the implementation of the model of Coulomb&#x00027;s law of friction in Kikuchi and Oden (<xref ref-type="bibr" rid="B23">1988</xref>) for dynamic friction. For the elastic foundation model (Section 3), further theoretical research on rigorously applying static and dynamic friction at a contact region which is a free boundary, on introducing finite deformations, and on how such a numerical model can be effectively used to provide insight from experimental data are under investigation. Finally, in terms of accurately modeling the response of the skin and underlying tissue, some consideration should be given to exploring beyond Coulomb&#x00027;s law of friction to incorporate the adhesive and repulsive intermolecular forces (such as via hydration) occurring across a variety of spatial scales, leading to Derjaguin-type frictional laws (Gadomski, <xref ref-type="bibr" rid="B15">2015</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Ethics statement</title>
<p>This paper is fundamentally a mathematical paper but there is one figure (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>) containing images of experiments on human subjects from a previous project that is shown as motivation for the mathematical modeling work. The images show deformation in the skin and underlying soft tissue generated during measurements of friction between strips of nonwoven fabric and the volar forearms of female volunteers. The work was conducted with the approval of London Stanmore Research Ethics Committee and The Whittington Hospital NHS R&#x00026;D office, September 2011. It was carried out in accordance with the recommendations of IRAS (Integrated Research Application System) Help guidance notes for HRA approval (Health Research Authority) with written informed consent from all subjects. All subjects gave written informed consent in accordance with the Declaration of Helsinki. Investigators interacting with elderly and disabled participants underwent DBS checks prior to REC submission and as a requirement for study approval.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>Research Design: KJ, NO, and AC. Mathematical Modeling and Analysis: KJ and NO. Clincial data analysis and guidance: AC. KJ, NO, and AC all contributed to the writing of the manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by The Dunhill Medical Trust [grant number R204/0511]; UCL Impact Studentship.</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</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>
</body>
<back>
<ack><p>We are most grateful to Dr. Sabrina Falloon and Skevos Karavokiros for providing their insight regarding the experiments on measuring friction as well as for the data and images provided. We are also very grateful to The Dunhill Medical Trust and UCL for funding KJ&#x00027;s Ph.D. studentship.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Badiale</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Serra</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <source>Semilinear Elliptic Equations for Beginners: Existence Results via the Variational Approach</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Science &#x00026; Business Media</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baser</surname> <given-names>O.</given-names></name> <name><surname>Konukseven</surname> <given-names>E. I.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Theoretical and experimental determination of capstan drive slip error</article-title>. <source>Mech. Mach. Theory</source> <volume>45</volume>, <fpage>815</fpage>&#x02013;<lpage>827</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmachtheory.2009.10.013</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Behzadipour</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Khajepour</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Cable-based robot manipulators with translational degrees of freedom</article-title>, in <source>Industrial Robotics: Theory, Modelling and Control</source>, ed <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Cubero</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<publisher-loc>Rijeka</publisher-loc>: <publisher-name>InTech Open Access Publisher</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.5772/5035</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bennett</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Dealey</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Posnett</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>The cost of pressure ulcers in the U.K</article-title>. <source>Age Ageing</source> <volume>33</volume>, <fpage>230</fpage>&#x02013;<lpage>235</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/ageing/afh086</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15082426</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Berg</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Etiologic factors in diaper dermatitis: a model for development of improved diapers</article-title>. <source>Pediatrician</source> <volume>14</volume>:<fpage>27</fpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">3601827</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bergfeld</surname> <given-names>W. F.</given-names></name> <name><surname>Taylor</surname> <given-names>J. S.</given-names></name></person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Trauma, sports, and the skin</article-title>. <source>Am. J. Indus. Med.</source> <volume>8</volume>, <fpage>403</fpage>&#x02013;<lpage>413</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/ajim.4700080422</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">4073040</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ciarlet</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <source>Mathematical Elasticity, Vol. III: Theory of Shells</source>. <publisher-loc>Amsterdam</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier Science</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Conklin</surname> <given-names>R. J.</given-names></name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Common cutaneous disorders in athletes</article-title>. <source>Sports Med.</source> <volume>9</volume>, <fpage>100</fpage>&#x02013;<lpage>119</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2165/00007256-199009020-00004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2180022</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cottenden</surname> <given-names>A. M.</given-names></name> <name><surname>Cottenden</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Karavokiros</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Wong</surname> <given-names>W. K.</given-names></name></person-group> (<year>2008a</year>). <article-title>Development and experimental validation of a mathematical model for friction between fabrics and a volar forearm phantom</article-title>. <source>Proc. Instit. Mech. Eng. H J. Eng. Med.</source> <volume>222</volume>, <fpage>1097</fpage>&#x02013;<lpage>1106</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1243/09544119JEIM406</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19024157</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cottenden</surname> <given-names>A. M.</given-names></name> <name><surname>Wong</surname> <given-names>W. K.</given-names></name> <name><surname>Cottenden</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Farbrot</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2008b</year>). <article-title>Development and validation of a new method for measuring friction between skin and nonwoven materials</article-title>. <source>Proc. Instit. Mech. Eng. H J. Eng. Med.</source> <volume>222</volume>, <fpage>791</fpage>&#x02013;<lpage>803</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1243/09544119JEIM313</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18756696</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cottenden</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Cottenden</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>An analytical model of the motion of a conformable sheet over a general convex surface in the presence of frictional coupling</article-title>. <source>Quart. J. Mech. Appl. Math.</source> <volume>62</volume>, <fpage>345</fpage>&#x02013;<lpage>364</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/qjmam/hbp012</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dowson</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Tribology and the skin surface</article-title>, in <source>Bioengineering of the Skin: Skin Surface Imaging and Analysis</source>, eds <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Wilhelm</surname> <given-names>K.-P.</given-names></name> <name><surname>Elsner</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Berardesca</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Maibach</surname> <given-names>H. I.</given-names></name></person-group> (<publisher-loc>Boca Raton, FL</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>) <fpage>159</fpage>&#x02013;<lpage>179</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Farage</surname> <given-names>M. A.</given-names></name> <name><surname>Miller</surname> <given-names>K. W.</given-names></name> <name><surname>Berardesca</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Maibach</surname> <given-names>H. I.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Incontinence in the aged: contact dermatitis and other cutaneous consequences</article-title>. <source>Contact Derm.</source> <volume>57</volume>, <fpage>211</fpage>&#x02013;<lpage>217</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1600-0536.2007.01199.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17868212</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fisher</surname> <given-names>L. R.</given-names></name> <name><surname>Israelachvili</surname> <given-names>J. N.</given-names></name></person-group> (<year>1981</year>). <article-title>Experimental studies on the applicability of the Kelvin equation to highly curved concave menisci</article-title>. <source>J. Colloid Interface Sci.</source> <volume>80</volume>, <fpage>528</fpage>&#x02013;<lpage>541</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0021-9797(81)90212-5</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gadomski</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Multilevel-interaction friction procedure applicable in case of two opposing surfaces competing with one another - a gedanken experiment</article-title>. <source>Phys. Essays</source> <volume>28</volume>, <fpage>650</fpage>&#x02013;<lpage>653</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.4006/0836-1398-28.4.650</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gadomski</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Rub&#x00131;</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>On the two principal curvatures as potential barriers in a model of complex matter agglomeration</article-title>. <source>Chem. Phys.</source> <volume>293</volume>, <fpage>169</fpage>&#x02013;<lpage>177</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0301-0104(03)00295-7</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gwosdow</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Stevens</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Berglund</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Stolwijk</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Skin friction and fabric sensations in neutral and warm environments</article-title>. <source>Text. Res. J.</source> <volume>56</volume>, <fpage>574</fpage>&#x02013;<lpage>580</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/004051758605600909</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Herring</surname> <given-names>K. M.</given-names></name> <name><surname>Richie</surname> <given-names>D. H.</given-names> <suffix>Jr.</suffix></name></person-group>. (<year>1990</year>). <article-title>Friction blisters and sock fiber composition. a double-blind study</article-title>. <source>J. Am. Podiatr. Med. Assoc.</source> <volume>80</volume>, <fpage>63</fpage>&#x02013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7547/87507315-80-2-63</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2304016</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Irwin</surname> <given-names>D. E.</given-names></name> <name><surname>Milsom</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Kopp</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Abrams</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Cardozo</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Impact of overactive bladder symptoms on employment, social interactions and emotional well-being in six european countries</article-title>. <source>BJU Int.</source> <volume>97</volume>, <fpage>96</fpage>&#x02013;<lpage>100</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1464-410X.2005.05889.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16336336</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="thesis"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jayawardana</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <source>Mathematical Theory of Shells on Elastic Foundations: An Analysis of Boundary Forms, Constraints and Applications to Friction and Skin Abrasion</source>. Ph.D. thesis, University College London, Department of Mathematics.</citation></ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname> <given-names>J. H.</given-names></name> <name><surname>Pan</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Kang</surname> <given-names>T. J.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Capstan equation including bending rigidity and non-linear frictional behavior</article-title>. <source>Mech. Mach. Theory</source> <volume>43</volume>, <fpage>661</fpage>&#x02013;<lpage>675</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmachtheory.2007.06.002</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Karavokiros</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <source>Skin Friction: Validating a Mathematical Model with a Simple Laboratory Model.</source> M.Sc. Biomedical Engineering and Medical Imaging (BEMI) Dissertation, University College London, Department of Medical Physics and Bioengineering.</citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kikuchi</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Oden</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1988</year>). <source>Contact Problems in Elasticity: A Study of Variational Inequalities and Finite Element Methods</source>. Studies in Applied Mathematics. Society for Industrial and Applied Mathematics.</citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Maklebust</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Sieggreen</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <source>Pressure Ulcers: Guidelines for Prevention and Management, 3rd Edn</source>. <publisher-loc>Springhouse, PA</publisher-loc>: <publisher-name>Springhouse Corporation</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Meserve</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Pingry</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1952</year>). <article-title>Some notes on the prismoidal formula</article-title>. <source>Math. Teach.</source> <volume>45</volume>, <fpage>257</fpage>&#x02013;<lpage>263</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Murray</surname> <given-names>L. D.</given-names></name> <name><surname>Magazinovic</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Stacey</surname> <given-names>M. C.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Clinical practice guidelines for the prediction and prevention of pressure ulcers</article-title>. <source>Primary Intent. Aust. J. Wound Manage.</source> <volume>9</volume>, <fpage>88</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Necas</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Simader</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Necasov&#x000E1;</surname> <given-names>&#x00160;.</given-names></name> <name><surname>Tronel</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Kufner</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <source>Direct Methods in the Theory of Elliptic Equations</source>. Springer Monographs in Mathematics, Springer, Berlin; Heidelberg.</citation></ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Powell</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>1983</year>). <article-title>Bicyclist&#x00027;s nipples</article-title>. <source>JAMA</source> <volume>249</volume>, <fpage>2457</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1001/jama.1983.03330420019014</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">6842748</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rao</surname> <given-names>C. L.</given-names></name> <name><surname>Lakshinarashiman</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Sethuraman</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Sivakumar</surname> <given-names>S. M.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <source>Engineering Mechanics: Statics and Dynamics</source>. <publisher-loc>Delhi</publisher-loc>: <publisher-name>PHI Learning Pvt. Ltd</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Scheuplein</surname> <given-names>R. J.</given-names></name> <name><surname>Blank</surname> <given-names>I. H.</given-names></name></person-group> (<year>1971</year>). <article-title>Permeability of the skin</article-title>. <source>Physiol. Rev.</source> <volume>51</volume>, <fpage>702</fpage>&#x02013;<lpage>747</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">4940637</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Silver</surname> <given-names>F. H.</given-names></name> <name><surname>Siperko</surname> <given-names>L. M.</given-names></name> <name><surname>Seehra</surname> <given-names>G. P.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Mechanobiology of force transduction in dermal tissue</article-title>. <source>Skin Res. Technol.</source> <volume>9</volume>, <fpage>3</fpage>&#x02013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1034/j.1600-0846.2003.00358.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12535279</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sivamani</surname> <given-names>R. K.</given-names></name> <name><surname>Goodman</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Gitis</surname> <given-names>N. V.</given-names></name> <name><surname>Maibach</surname> <given-names>H. I.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Coefficient of friction: tribological studies in man&#x02013;an overview</article-title>. <source>Skin Res. Technol.</source> <volume>9</volume>, <fpage>227</fpage>&#x02013;<lpage>234</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1034/j.1600-0846.2003.02366.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12877683</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Skinner</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Sambles</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1972</year>). <article-title>The Kelvin equation - a review</article-title>. <source>J. Aerosol. Sci.</source> <volume>3</volume>, <fpage>199</fpage>&#x02013;<lpage>210</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0021-8502(72)90158-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Thomson</surname> <given-names>J. S.</given-names></name> <name><surname>Brooks</surname> <given-names>R. G.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>The economics of preventing and treating pressure ulcers: a pilot study</article-title>. <source>J. Wound Care</source> <volume>8</volume>, <fpage>312</fpage>&#x02013;<lpage>316</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.12968/jowc.1999.8.6.25879</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10776218</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Touche</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1993</year>). <source>The Cost of Pressure Sores.</source> Reports to the Department of Health, Department of Health, London.</citation></ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wilkinson</surname> <given-names>D. S.</given-names></name></person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Dermatitis from repeated trauma to the skin</article-title>. <source>Am. J. Indus. Med.</source> <volume>8</volume>, <fpage>307</fpage>&#x02013;<lpage>317</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/ajim.4700080409</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2933954</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Mak</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title><italic>In vivo</italic> friction properties of human skin</article-title>. <source>Prosthet. Orthot. Int.</source> <volume>23</volume>, <fpage>135</fpage>&#x02013;<lpage>141</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">10493141</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>