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    jamp
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     Journal of Applied Mathematics and Physics
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    2327-4352
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    2327-4379
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     Scientific Research Publishing
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    10.4236/jamp.2024.1211229
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    jamp-137568
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      Articles
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     <subject>
      Physics 
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     <subject>
       Mathematics
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    Dynamic Response of Tensile Membrane Structure under Coupling Effect of Wind and Rain
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     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff3"> 
      <sup>3</sup>
     </xref>
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       Heyuan
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      <sup>3</sup>
     </xref>
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       Jie
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       Chen
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      <sup>3</sup>
     </xref>
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     aSchool of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin, China
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     aHuaheng Construction Group Co., Ltd., Ningbo, China
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     06
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     11
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     2024
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    12
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    11
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      November
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      2024
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      19,
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      November
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    <date date-type="accepted">
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      19,
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      November
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      2024
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    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
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    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
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   <abstract>
    Because of the small stiffness and high flexibility, the tension membrane structure is easy to relax and damage or even destroy under the action of external load, which leads to the occurrence of engineering accidents. In this paper, the damped nonlinear vibration of tensioned membrane structure under the coupling action of wind and rain is approximately solved, considering the geometric nonlinearity of membrane surface deformation and the influence of air damping. Applying von Karman’s large deflection theory and D’Alembert’s principle, the governing equations are established for an analytical solution, and the experimental results are compared with the analytical results. The feasibility of this method is verified, which provides some theoretical reference for practical membrane structure engineering design and maintenance.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Tension Membrane Structure
    </kwd> 
    <kwd>
      Wind and Rain Coupling Effect
    </kwd> 
    <kwd>
      Dynamic Response
    </kwd> 
    <kwd>
      Nonlinear Vibration
    </kwd>
   </kwd-group>
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  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>The membrane material of the membrane structure is light in weight, small in stiffness, and low in natural frequency, so it is very sensitive to wind load and other loads (such as hail, rainstorm, etc.) and is prone to large deformation. Long-term load will also lead to relaxation and wrinkles in the membrane structure and then engineering accidents <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-1">
     [1]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-3">
     [3]
    </xref>. In recent decades, there have been many examples of membrane structures being damaged under wind load. On November 10, 2013, the famous landmark building in Sanya, Hainan, China—“Crown of Beauty” was lifted by a strong typhoon. On February 18, 2022, a storm hit the Isle of Wight in the United Kingdom, causing the roof membrane of the O2 Stadium in London (formerly known as the Millennium Dome) to be torn by the wind. The damage to the above building structures caused huge economic losses. However, it can be seen from the above engineering accident cases that when the membrane structure is destroyed, it is not only subject to wind load, but also accompanied by rainstorm load, and the influence of rainstorm load cannot be ignored.</p>
   <p>The study of wind-rain coupling was mainly used for long-span bridge structures in the early days. In 1984, Hikami and Shiraishi <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-4">
     [4]
    </xref> observed the Meikonishi Bridge in Japan, and found that the stay cables produced large and violent vibrations under the wind-rain coupling, and then began to study the wind-rain coupling phenomenon. In 2002, Blocken and Carmelie <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-5">
     [5]
    </xref> carried out a numerical simulation of low-rise housing structures under the combined action of wind and rain, and considered the spatial distribution of instantaneous rainfall, wind-driven rain, and the influence of time factors; Sankaran <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-6">
     [6]
    </xref> studied the pressure change of raindrops hitting the building wall, calculated the wind pressure distribution on the building surface and compared it with the results measured by wind tunnel test, and then used raindrops with different particle sizes to act on the building surface on the upper and top surfaces of the building. The results showed that when the wind speed was large, the impact of raindrops could not be ignored. According to the actual calculation of the relationship between wind speed and rain intensity, Choi <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-7">
     [7]
    </xref> concluded that the maximum effect of wind-driving rain can exceed 20%.</p>
   <p>In China, in 2007, Li Hongnan et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-8">
     [8]
    </xref> carried out a nonlinear time history analysis and solution of wind excitation and wind and rain joint excitation for transmission towers and transmission tower line systems, respectively, and drew the conclusion that the rain load in the design cannot be ignored; Chen Bowen et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-9">
     [9]
    </xref> applied CFD numerical simulation method to analyze the distribution law of wind and rain load on the windward wall of low-rise buildings, focusing on the influence of rain intensity, wind speed and roof structure on the structure. The analysis showed that the additional load caused by rainfall under extreme meteorological conditions could exceed 30% of the pure wind load. In 2014, Fu Xing et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-10">
     [10]
    </xref> gave an improved rain load calculation formula, obtained the time history curve of wind-driven rain load through numerical simulation, calculated the vibration frequency of transmission tower under wind-driven rain load, and compared it with the wind tunnel test results to verify the correctness of the theory; Wang Hui et al. (2014) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-11">
     [11]
    </xref> showed that the combined effect of wind and rain loads in extreme weather should be considered when designing engineering structures, especially cladding structures. In 2018, Cui Wenhui et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-12">
     [12]
    </xref> used the multiphase flow Euler-Euler model to establish a wind-rain load interaction model, considering factors such as the effect of raindrops on the wind field and the influence of wind-driven rain on the tensile membrane structure, and studied the influence of changes in wind speed and rainfall on the surface wind pressure distribution of saddle-shaped membrane structure and the static response of the structure through numerical simulation. The results show that the effect of wind-driven rain load on membrane structure cannot be ignored. In 2018, Tian Li et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-13">
     [13]
    </xref> proposed a time history analysis method of rain velocity based on the equation method and program method and established a formula for calculating wind-driven rain load on this basis. In addition, Li Hongnan (2012) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-14">
     [14]
    </xref> and Gao Ganfeng et al. (2015 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-15">
     [15]
    </xref>, 2016 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-16">
     [16]
    </xref>) also studied the dynamic response of glass curtain walls and large wind turbines under wind-driven rain load and obtained valuable conclusions. In 2021, Jiang Su <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-17">
     [17]
    </xref> carried out numerical and experimental research on the dynamic response of saddle-shaped membrane structure under wind-driven rain load. In 2023, Pan Jierong et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-18">
     [18]
    </xref> studied the dynamic response and structural reliability of saddle-shaped membrane structures under wind-driven rain load through finite element numerical simulation and wind tunnel test.</p>
   <p>Obviously, scholars have little research on the dynamic response of membrane structure, a flexible structure, under wind-driven rain load, and rarely focus on the analytical theoretical research of this problem. In this paper, the tension membrane structure commonly used in engineering is taken as the research object, and the damped nonlinear vibration of tension membrane structure under the coupling action of wind and rain is approximately solved. The governing equations are established for an analytical solution, and the research results will provide a theoretical basis for how to reasonably consider the increasing effect of wind and rain coupling on the dynamic response of membrane structure, improve the design and construction theory of membrane structure, and better guide the design and construction of membrane structure.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Coupling Effect of Wind and Rain</title>
   <p>The aerodynamic force acting on the unit area of the projection surface of the membrane structure is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         W 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (1)</p>
   <p>where, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the dynamic air pressure outside the membrane structure; 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the air pressure inside the structure, which can be approximately equal to the air pressure 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mi>
         ∞ 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> generated when the uniform flow field is not disturbed.</p>
   <p>It is assumed that the incoming flow is a uniform and incompressible inviscid ideal fluid, which flows along the structure x direction at a velocity V and does non-rotational motion. The expression of the aerodynamic force acting on the surface of the streamlined structure is <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-19">
     [19]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-20">
     [20]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   V 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     w 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mtable columnalign="left"> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ξ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    η 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
              </mtable> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 ξ 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msqrt> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mo>
                        ( 
                      </mo> 
                      <mrow> 
                       <mi>
                         x 
                       </mi> 
                       <mo>
                         − 
                       </mo> 
                       <mi>
                         ξ 
                       </mi> 
                      </mrow> 
                      <mo>
                        ) 
                      </mo> 
                     </mrow> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mo>
                     + 
                   </mo> 
                   <msup> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mo>
                        ( 
                      </mo> 
                      <mrow> 
                       <mi>
                         y 
                       </mi> 
                       <mo>
                         − 
                       </mo> 
                       <mi>
                         η 
                       </mi> 
                      </mrow> 
                      <mo>
                        ) 
                      </mo> 
                     </mrow> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </msqrt> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   V 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mo>
                      ∂ 
                    </mo> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mo>
                      ∂ 
                    </mo> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <msup> 
                    <mi>
                      t 
                    </mi> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mtable columnalign="left"> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ξ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    η 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
              </mtable> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msqrt> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mi>
                     η 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </msqrt> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mi>
         ∞ 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>(2)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ξ 
     </mi> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       η 
     </mi> 
    </math> are the position coordinates when the gas flow arches along the membrane surface, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the gas density, w is the displacement function of the membrane surface, and Z is the surface function of the membrane surface.</p>
   <p>Substituting Equation (2) into Equation (1), then,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mi>
         W 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   V 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     w 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mtable columnalign="left"> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ξ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    η 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
              </mtable> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 ξ 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msqrt> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mo>
                        ( 
                      </mo> 
                      <mrow> 
                       <mi>
                         x 
                       </mi> 
                       <mo>
                         − 
                       </mo> 
                       <mi>
                         ξ 
                       </mi> 
                      </mrow> 
                      <mo>
                        ) 
                      </mo> 
                     </mrow> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mo>
                     + 
                   </mo> 
                   <msup> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mo>
                        ( 
                      </mo> 
                      <mrow> 
                       <mi>
                         y 
                       </mi> 
                       <mo>
                         − 
                       </mo> 
                       <mi>
                         η 
                       </mi> 
                      </mrow> 
                      <mo>
                        ) 
                      </mo> 
                     </mrow> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </msqrt> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   V 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
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                    <mo>
                      ∂ 
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                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mo>
                      ∂ 
                    </mo> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <msup> 
                    <mi>
                      t 
                    </mi> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mtable columnalign="left"> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ξ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
               <mtr> 
                <mtd> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    = 
                  </mo> 
                  <mi>
                    η 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mtd> 
               </mtr> 
              </mtable> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msqrt> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     y 
                   </mi> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mi>
                     η 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </msqrt> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(3)</p>
   <p>Regarding the rain load, according to Newton’s second law, the load of a single raindrop in time 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        Δ 
      </mi> 
      <mi>
        t 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> can be obtained as follows:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          Δ 
        </mi> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mi>
          Δ 
        </mi> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mi>
            Δ 
          </mi> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msubsup> 
        <mrow> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          Δ 
        </mi> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (4)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        p 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the impact force vector of a single raindrop, and m is the mass of the raindrop.</p>
   <p>Assuming that the shape of the raindrop is a standard spherical shape, the action time of the raindrop is 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        Δ 
      </mi> 
      <mi>
        t 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, and the mass of the raindrop is 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           w 
         </mi> 
        </msub> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, that is:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          Δ 
        </mi> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           w 
         </mi> 
        </msub> 
        <msup> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (5)</p>
   <p>Transforming the force of a single raindrop into a time-varying uniformly distributed load:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            Δ 
          </mi> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <msup> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        π 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (6)</p>
   <p>Substituting Equation (5) into Equation (6), then:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mn>
         9 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         w 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        π 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> (7)</p>
   <p>The wind-rain coupling model is formed by superimposing the aerodynamic model and rain load model. According to the aerodynamic model and rain load model, the expression of wind-rain coupling action can be obtained:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         W 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (8)</p>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Dynamic Governing Equation of Membrane Structure under Wind and Rain Coupling Effect</title>
   <p>Take the micro-cell dx, dy on the vibrating membrane, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref> below. In the x direction, the unit can be regarded as composed of countless chord elements with a length of dx and a width of 1. The tension N<sub>x</sub> acting on the chord elements is consistent with its tangent direction and forms an included angle 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> with the coordinate axis x. Let w be the normal displacement of any point on the membrane surface, which is:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        sin 
      </mi> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        tan 
      </mi> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <fig id="fig1" position="float">
    <label>Figure 1</label>
    <caption>
     <title>Figure 1. The vibration micro-units of the membrane.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1723929-rId54.jpeg?20241204044648" />
   </fig>
   <p>The resultant force in the perpendicular direction acting on the x and x + dx sides of the element is 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>In the same way, the resultant force in the vertical direction on the y and y + dy edges acting on the surface element is obtained. Let 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ρ 
     </mi> 
    </math> be the surface density of the film material, then the mass of the microsurface element is 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. According to the D’Alembert principle, the equation of motion of the surface element can be obtained as follows:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        c 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (9)</p>
   <p>Equation (9) is simplified to obtain:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        c 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (10)</p>
   <p>where N<sub>x</sub> and N<sub>y</sub> are the x-direction (warp direction) and y-direction (weft direction) tension of the membrane surface, respectively; w represents the normal vibration displacement of the membrane, c represents the film damping coefficient.</p>
   <p>The membrane material is a flexible material, which is different from the plate and shell structure. Its in-plane stiffness is basically zero. In engineering, the roof membrane material gives the membrane surface a certain stiffness to resist the external load by applying a certain initial pretension. At the same time, the combined effect of wind and rain P is added to the membrane surface. Therefore, the vibration equation of the actual membrane roof can be obtained by adding the initial pretension to the equation of motion (10):</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        c 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (11)</p>
   <p>Define the physical material parameters of the membrane: x-direction pretension N<sub>0</sub><sub>x</sub>; y-direction pretension N<sub>0</sub><sub>y</sub>; Shear force N<sub>xy</sub>; membrane thickness is h; x-directional Young’s modulus of elasticity E<sub>1</sub>; Young’s modulus of elasticity in y direction E<sub>2</sub>; Shear modulus G; x-directional Poisson’s ratio 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>; y-direction Poisson’s ratio 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, then the governing equations of nonlinear free vibration of orthotropic membrane roof are:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mi>
            P 
          </mi> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mi>
              G 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(12)</p>
   <p>Introducing the stress function 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        φ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, then:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (13)</p>
   <p>In the process of membrane vibration, the influence of shear stress is very small. It is approximately considered that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, then the governing Equations (12) can be simplified as:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            φ 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mi>
           W 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
        </msub> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math> (14)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (15)</p>
   <p>The dynamic balance Equation (14) and the deformation coordination Equation (15) together constitute the governing equation of the membrane structure under wind and rain load. Where the displacement and stress boundary conditions are respectively:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
            , 
          </mtext> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
            , 
          </mtext> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
            , 
          </mtext> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
            , 
          </mtext> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(16)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              φ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(17)</p>
   <p>Assuming that the displacement function satisfying the displacement boundary is:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        w 
      </mi> 
      <mo stretchy="false">
        ( 
      </mo> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        t 
      </mi> 
      <mo stretchy="false">
        ) 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mi>
        sin 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mi>
        sin 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (18)</p>
   <p>Letting 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         W 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        W 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        W 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>,</p>
   <p>Substituting Equation (18) into Equation (15):</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            φ 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            φ 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          sin 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          sin 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math> (19)</p>
   <p>Assuming the solution of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        φ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          φ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msub> 
        <msup> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mtable> 
           <mtr> 
            <mtd> 
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             </mtext> 
            </mtd> 
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           <mtr> 
            <mtd> 
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             </mtext> 
            </mtd> 
           </mtr> 
          </mtable> 
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          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
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           <mn>
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           </mn> 
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            + 
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           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
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          + 
        </mo> 
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          T 
        </mi> 
        <mrow> 
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           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
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            sin 
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          <mfrac> 
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           </mrow> 
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             a 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          sin 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
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           <mi>
             b 
           </mi> 
          </mfrac> 
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           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
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          ξ 
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       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math> (20)</p>
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        <mtr> 
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            φ 
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              x 
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              , 
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              , 
            </mo> 
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              , 
            </mo> 
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             ) 
           </mo> 
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            + 
          </mo> 
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           <mi>
             t 
           </mi> 
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             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
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              x 
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              , 
            </mo> 
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             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
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           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
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            <mfrac> 
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            </mfrac> 
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             ) 
           </mo> 
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            + 
          </mo> 
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             ) 
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            + 
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           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
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            + 
          </mo> 
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            x 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
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            + 
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             δ 
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         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
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           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
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             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mi>
            ξ 
          </mi> 
          <mi>
            sin 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            sin 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mi>
            ξ 
          </mi> 
          <mi>
            W 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Substituting Equation (20) into Equation (17), we can obtain:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            32 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          β 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            32 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          ξ 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 / 
               </mo> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mrow> 
                    <mi>
                      n 
                    </mi> 
                    <mi>
                      π 
                    </mi> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     / 
                   </mo> 
                   <mi>
                     b 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 4 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               / 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 E 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mrow> 
                    <mi>
                      m 
                    </mi> 
                    <mi>
                      π 
                    </mi> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     / 
                   </mo> 
                   <mi>
                     a 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 4 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               / 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 E 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           7 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            16 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            16 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math></p>
   <p>Obviously,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mi>
            φ 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mn>
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           </mn> 
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             ( 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
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             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
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             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
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           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <msub> 
           <mi>
             ϕ 
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           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
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               E 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
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             <mi>
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             </mi> 
             <mn>
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            </msup> 
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             </mi> 
             <mn>
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             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mn>
              32 
            </mn> 
            <msup> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mn>
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             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mn>
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             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
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            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
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             <mn>
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             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mn>
              32 
            </mn> 
            <msup> 
             <mi>
               n 
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             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               a 
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             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
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            cos 
          </mi> 
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           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
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                2 
              </mn> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
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           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
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               π 
             </mi> 
             <mn>
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               E 
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             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
            <msup> 
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             <mn>
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             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mn>
              16 
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               b 
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             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
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          </mfrac> 
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             x 
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           <mn>
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          </msup> 
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            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
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            <msup> 
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               π 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mn>
              16 
            </mn> 
            <msup> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <msup> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <msub> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    n 
                  </mi> 
                  <mi>
                    π 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   / 
                 </mo> 
                 <mi>
                   b 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mi>
                        n 
                      </mi> 
                      <mi>
                        π 
                      </mi> 
                     </mrow> 
                     <mo>
                       / 
                     </mo> 
                     <mi>
                       b 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mn>
                   4 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mo>
                 / 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   E 
                 </mi> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mi>
                        m 
                      </mi> 
                      <mi>
                        π 
                      </mi> 
                     </mrow> 
                     <mo>
                       / 
                     </mo> 
                     <mi>
                       a 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mn>
                   4 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mo>
                 / 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   E 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mi>
            sin 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            sin 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(21)</p>
   <p>Substituting Equations (18), (20) and (7) into Equation (14), then,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mo>
           ″ 
         </mo> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          W 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          W 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mi>
           W 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
        </msub> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math> (22)</p>
   <p>The principle of the Galerkin method is that by selecting finite polynomial functions (also called basis functions or shape functions), superimposing them, and then requiring the weighted integral of the results in the solution domain and on the boundary (the weight function is the trial function itself) to satisfy the original equation, a set of linear algebraic equations that are easy to solve can be obtained, and the natural boundary conditions can be automatically satisfied. Applying the Galerkin method, Equation (22) is transformed into:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              { 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msup> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
              <mo>
                ″ 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <msup> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
              <mo>
                ′ 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               T 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mi>
                   x 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mi>
                 h 
               </mi> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msup> 
                  <mo>
                    ∂ 
                  </mo> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mi>
                   x 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msup> 
                  <mo>
                    ∂ 
                  </mo> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                 <mi>
                   W 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mi>
                   y 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msup> 
                  <mo>
                    ∂ 
                  </mo> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                 <mi>
                   W 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mi>
                W 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mi>
                W 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          W 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             S 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
              <mi>
                W 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
              <mi>
                R 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math> (23)</p>
   <p>Simplifing the Equation (23), then,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        A 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mo>
         ″ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        B 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mo>
         ′ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        C 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        D 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <msup> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (24)</p>
   <p>where,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </mfrac> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </mfrac> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
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                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mi>
              ξ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             h 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
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                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mfrac> 
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               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
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                  y 
                </mi> 
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                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <munder> 
           <mo>
             ∬ 
           </mo> 
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             s 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             h 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
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                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
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                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
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                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
        </msup> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            64 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
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          <msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mn>
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           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
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             ∬ 
           </mo> 
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             S 
           </mi> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
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                W 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
              <mi>
                R 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mtext>
             d 
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        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math></p>
   <p>The numerical analytical solution of the tension membrane structure under the coupling action of wind and rain can be obtained by the numerical analytical solution of Equation (24) using Matlab.</p>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. Validation of Results</title>
   <p>In order to verify the correctness of the theoretical derivation in this paper, the experimental results in reference <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-14">
     [14]
    </xref> are compared with the analytical solution in this paper. The parameter values are consistent with reference <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-14">
     [14]
    </xref>. The surface density of the membrane is 14 kg/cm<sup>2</sup>, the thickness is 10 mm, the elastic modulus is 920 Mpa, and the damping coefficient is 86.4 Ns/m. The plane dimension of the membrane structure is 10 m × 10 m. The sagittal-span ratio of the membrane surface is set to two grades, which are 1/10 and 1/12, respectively. The film surface pretension 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
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       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is set in two grades: the first grade pretension is 51.1 kN/m and the second grade pretension is 115 kN/m.</p>
   <p>Different membrane surface vector-span ratios (1/10 and 1/12), membrane surface pretension grades (grade I pretension and grade II pretension), and wind-driven rain load conditions (I wind I rain, I wind III rain, II wind II rain, III wind I rain, III wind II rain and III wind III rain). Among them, the wind speed range of Class I wind (strong wind) is 17.2 - 20.7 m/s, the wind speed range of Class II wind (strong wind) is 20.8 - 24.4 m/s, and the wind speed range of Class III wind (strong wind) is 24.5 - 28.4 m/s. The rainfall intensity is Class I (64 mm/h), Class II (100 mm/h) and Class III (200 mm/h).</p>
   <p>Results are shown in <xref ref-type="table" rid="table1">
     Table 1
    </xref>:</p>
   <table-wrap id="table1">
    <label>
     <xref ref-type="table" rid="table1">
      Table 1
     </xref></label>
    <caption>
     <title>
      <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137568-"></xref>Table 1. Comparison between analytical results and experimental results.</title>
    </caption>
    <table class="MsoTableGrid custom-table" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> 
     <tr> 
      <td rowspan="2" class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center"></p></td> 
      <td rowspan="2" class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">Vector-span ratio</p></td> 
      <td rowspan="2" class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">Pretension</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="60.28%" colspan="6"><p style="text-align:center">Working condition</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">I wind I rain</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">I wind III rain</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">II wind II rain</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">III wind I rain</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">III wind II rain</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">III wind III rain</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Analytical results</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/10</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">I</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">31.0</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">36.0</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">40.0</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">49.0</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">50.0</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">54.0</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Experimental results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/10</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">I</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">31.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">36.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">41.4</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">49.2</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">50.8</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">54.4</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Relatively poor</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">1.6%</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">3.4%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">0.4%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">1.6%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">0.7%</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Analytical results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/12</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">I</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">37.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">42.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">47.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">58.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">60.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">64.0</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Experimental results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/12</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">I</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">37.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">43.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">45.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">54.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">60.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">64.2</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Relatively poor</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">2.3%</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">4.3%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">6.9%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">1.0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">0.3%</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Analytical results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/10</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">II</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">15.7</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">18.1</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">19.9</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">24.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">25.2</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">27.0</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Experimental results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/10</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">II</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">15.8</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">18.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">20.2</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">25.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">25.8</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">27.6</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Relatively poor</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">0.6%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">2.7%</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">1.5%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">1.6%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">4.0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">2.2%</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Analytical results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/12</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">II</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">18.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">21.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">24.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">29.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">30.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">32.0</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Experimental results</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">1/12</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">II</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">19.2</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">21.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">24.2</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">29.6</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">30.0</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">32.0</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="15.80%"><p style="text-align:center">Relatively poor</p></td> 
      <td class="acenter" width="13.12%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.80%"><p style="text-align:center">-</p></td> 
      <td class="acenter" width="8.38%"><p style="text-align:center">3.1%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.10%"><p style="text-align:center">0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="10.14%"><p style="text-align:center">0.8%</p></td> 
      <td class="acenter" width="9.96%"><p style="text-align:center">2.0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.00%"><p style="text-align:center">0%</p></td> 
      <td class="acenter" width="11.70%"><p style="text-align:center">0%</p></td> 
     </tr> 
    </table>
   </table-wrap>
   <p>The theoretical results are consistent with the experimental results, and the relative difference is less than 10%, which shows that the theoretical method in this paper has good applicability. The theoretical study does not consider the dead weight of membrane material, so the experimental results will be slightly larger than the theoretical results.</p>
  </sec><sec id="s5">
   <title>5. Conclusions</title>
   <p>1) According to the comparative analysis of theoretical results and experimental results, it is concluded that the ratio of membrane surface to span, the grade of membrane surface pretension, the grade of wind speed and rainfall intensity all have obvious influence on the dynamic response of skeleton supported membrane structure under the coupling action of wind and rain.</p>
   <p>2) Although aerodynamic forces will not directly cause instability and damage to the membrane structure, strong nonlinear vibration will occur on the membrane surface when wind and rain loads act together, resulting in the large displacement of the membrane surface. If the load continues to act on the membrane surface, it is very likely that the membrane surface will relax and even cause engineering accidents.</p>
   <p>3) The smaller the sagittal-span ratio of the membrane surface, the higher the wind speed grade and rainfall intensity grade, and the greater the displacement of the membrane surface under the coupling action of wind and rain. The greater the pretension of the membrane surface, the smaller the displacement of the membrane surface under the coupling action of wind and rain. Therefore, in the process of designing membrane structure, the ability of the membrane structure to resist external load can be enhanced by improving the membrane surface-span ratio and pretension, so as to ensure that the membrane structure has sufficient structural stability.</p>
  </sec><sec id="s6">
   <title>Funding</title>
   <p>The work is supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51608060).</p>
  </sec>
 </body><back>
  <ref-list>
   <title>References</title>
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