<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Mater.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Materials</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Mater.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-8016</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1020820</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmats.2022.1020820</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Materials</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A modified lower-order theory for FG beam with circular cross-section</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Duan et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fmats.2022.1020820">10.3389/fmats.2022.1020820</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1785632/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X. Y.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1962040/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1465626/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z. J.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>School of Flight Technology</institution>, <institution>Civil Aviation Flight University of China</institution>, <addr-line>Guanghan</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Guanghan Branch</institution>, <institution>Civil Aviation Flight University of China</institution>, <addr-line>Guanghan</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>School of Aviation Engineering</institution>, <institution>Civil Aviation Flight University of China</institution>, <addr-line>Guanghan</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>College of Aviation</institution>, <institution>Kunming University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Kunming</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/527095/overview">Patrizia Trovalusci</ext-link>, Sapienza University of Rome, Italy</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1627946/overview">Michele Bacciocchi</ext-link>, University of the Republic of San Marino, San Marino</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1447954/overview">Amir R. Masoodi</ext-link>, Ferdowsi University of Mashhad, Iran</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: X. Y. Li, <email>lixiuyi6690@163.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Mechanics of Materials, a section of the journal Frontiers in Materials</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>10</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>1020820</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>08</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>27</day>
<month>09</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Duan, Li, Xiao, Zhang, Chen and Li.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Duan, Li, Xiao, Zhang, Chen and Li</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The modified uncoupled lower-order beam theory (LBT) based on the third-order shear deformation model was established for functionally graded (FG) beams with circular cross-section in this paper. Based on the shear stress free condition on the boundary of the circular cross-section, the bidirectional warping function of the axial displacement is mathematically derived for the first time. The power-law form in the radial direction is adopted to describe continuous variation of material properties. Generalized stresses are defined through the orthogonal form of the axial displacement and then expressed in the decoupling form, in which the shear correction factor and three relatively small coefficients are involved. The frame independent uncoupled equilibrium equations and the corresponding boundary conditions are obtained <italic>via</italic> the asymptotic principle of virtual work. The present LBT is validated through the pure bending of a Clamped-Clamped FG beam by comparing the obtained deflections with the published results. Accordingly, the effects of shear, warping and stress mitigation acting on the cross-section influenced by the power-law exponent have been described graphically and discussed.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>functionally graded beam</kwd>
<kwd>circular cross-section</kwd>
<kwd>bidirectional warping effect</kwd>
<kwd>principle of virtual work</kwd>
<kwd>uncoupled lower-order theory</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Functionally graded (FG) materials are a class of composites, the properties of which vary continuously and smoothly from one surface to another. Typically, these materials are made from a mixture of ceramic and metal or from a combination of materials. The ceramic constituent provides high-temperature resistance due to its low thermal conductivity. Beams with solid or hollow circular cross-section are widely used in macro and micro fields, such as the steel ropes of bridges and the landing gears of aircrafts, the cylindrical beams for building support, oil pipelines in the transportation field, carbon nanotubes and microtubules in the fields of medicine, biotechnology and smart material (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Kapuria et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">&#x15e;im&#x15f;ek, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">El Meiche et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Shi and Voyiadjis, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Neves et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Belabed et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Pradhan and Chakraverty, 2014</xref>). When the beams with circular cross-section are made of FG materials, the mechanical properties will be significantly improved.</p>
<p>Theories for FG beams or plates have been proposed successively. In the early stage, in order to take the shear effect on the cross-section into account, it is very common to use Timoshenko beam theory (TBT) to study the FG beam problems (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Timoshenko, 1921</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Popescu and Hodges, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Yu et al., 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Li, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Dong et al., 2010</xref>). Due to the linear variation of the normal strain on the cross-section, the TBT can be regarded as the first-order shear deformation theory with the shear coefficient <italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>. The shear coefficient <italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> is introduced to improve the calculation accuracy, that has been studied in detail by many scholars (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Cowper, 1966</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Hutchinson, 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Dong et al., 2010</xref>). According to the results of Cowper&#x2019;s (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Cowper, 1966</xref>) study on homogeneous beams, the shear coefficient is close to 5/6 for rectangular cross-section and is close to 6/7 for circular cross-section. However, it is difficult to determine the value of shear coefficient for FG beams because of different cross-section shapes and material distribution. In addition, the shear stress free condition on the boundary of cross-section is not satisfied in TBT.</p>
<p>In order to overcome the disadvantages of TBT, Levinson (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Levinson, 1981</xref>) first proposed the beam theory based on the third-order shear deformation model that has received the most attention. In the higher-order shear deformation (HSD) model, the warping effect on the cross-section is taken into consideration and the shear stress free condition is satisfied. Since then, a variety of theories based on HSD models have been proposed by many scholars (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Reddy et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Aydogdu, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">&#x15e;im&#x15f;ek, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">El Meiche et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Shi and Voyiadjis, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Belabed et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Pradhan and Chakraverty, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Duan and Li, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Duan and Li, 2016b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Geng et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ma et al., 2021</xref>), and can be divided into two types according to the differential order of the governing equations, i.e., the higher-order beam theory (HBT) and the lower-order beam theory (LBT).</p>
<p>The proposal of HBT is mainly inspired by Reddy&#x2019;s (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Reddy et al., 2001</xref>) idea of deriving the governing equations through the variational principle. Based on different HSD models, the sixth-order differential governing equation of the deflection is obtained in HBT, that results in high computational accuracy. Meanwhile, the boundary layer effect near concentrated load and fixed support constraints is revealed by HBT (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Shi and Voyiadjis, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Duan and Li, 2016c</xref>). This has since become a common way of deriving the governing equations (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Reddy et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Aydogdu and Taskin, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">&#x15e;im&#x15f;ek, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">El Meiche et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Shi and Voyiadjis, 2011</xref>), even ignoring the difficulty of solving the equations analytically or numerically.</p>
<p>Compared with HBT, the fourth-order differential governing equation of the deflection is obtained in HBT or TBT. Although the calculation accuracy of LBT is not as high as that of HBT, LBT is more convenient to solve and can be widely used in engineering with sufficient calculation accuracy like TBT. In view of this, the governing equations of TBT should be derived by reasonable approximation of the variational principle, which depends on the proper definition of the generalized stresses to decompose the higher order small quantities of the energy functional (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Duan and Li, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>). However, some LBTs are established by the differential equilibrium relationship of the forces (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>), that are often questioned.</p>
<p>Compared with FG beams with rectangular cross-sections, there are a few studies on FG beams with circular cross-sections. The LBT for FG beams with circular-section based on the third-order HSD model was proposed by Huang (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>) through the differential equilibrium relationship of forces, in which the axial displacement can be considered to be obtained by trial and error. Ma (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Ma et al., 2021</xref>) also proposed the LBT to study the buckling and vibration behavior of axially-loaded hollow cylindrical FG pipes. Li (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Li et al., 2019</xref>) investigated the vibration control and analysis of a rotating FG beam with a lumped mass and bonded piezoelectric films in temperature field. Dong (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Dong et al., 2019</xref>) studied the dynamic modeling and free vibrations of rotating FG tapered cantilever beams with hollow circular cross-section. The significant effects of extensional&#x2013;coupling bending are studied for the tapered beam&#x2013;column with FG cross-sections (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Rezaiee-Pajand and Masoodi, 2019</xref>).</p>
<p>For FG beams, due to the inappropriate selection of coordinate system and the definitions of basic variables, the coupling between bending and stretch which does not exist for the uniform beam appears unexpectedly. For example, there are coupled expressions of bending and stretch in (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Aydogdu and Taskin, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Thai and Vo, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>). For the uncoupled beam theory (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Geng et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>), the bending content is decoupled with the stretching content in the constitutive relations, and hence, the governing equations are greatly simplified.</p>
<p>Motivated by the great importance to overcome disadvantages, this paper begins with the fundamentals of beam problems to develop the modified uncoupled LBT for FG beams with circular cross-section. To this end, this paper is organized as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the FG beam with circular cross-section is described and the bidirectional warping function of axial displacement is mathematically derived. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, the generalized strains and stresses are defined, then the constitutive relations are expressed in the decoupling form, and the rigidity coefficients are calculated. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, the equilibrium equations and the corresponding boundary conditions are derived based on the principle of virtual work, which ignores the virtual work generated by the higher-order moment. In <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>, the pure bending problems of the radial graded material beam with circular cross-section are analytically solved and compared with the published results. The concluding remarks are finally made in <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Kinematics of FG beam with circular cross-sections</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Description of the FG beam with circular cross-sections</title>
<p>To focus our attention on the FG beam, a straight beam structure with circular cross-section is taken into consideration, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. For convenience, the origin <italic>o</italic> is chosen as the central point of the circular cross-section on the left end, the <italic>x</italic>-axis is the centroid line of cross-sections, and the Cartesian coordinate system (<italic>x, y, z</italic>) is established. Meanwhile, the cylindrical coordinate system (<italic>x, r, &#x3b8;</italic>) (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>) is introduced as well, which have the same origin <italic>o</italic> and the same <italic>x</italic>-axis described before. <italic>R</italic> is the radius of the circular cross-section. So, the coordinate transformation relationships are<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>A straight radial FG beam with uniform circular cross-section.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g001.tif"/>
</fig>
<p>To exclude the coupling of bending and torsion it will be assumed that the applied loads are symmetric about the <italic>x-z</italic> plane.</p>
<p>It is assumed that the material properties of FG beam vary along the radial direction. For simplicity, the power-law variation of Young&#x2019;s modulus can be expressed as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <italic>E</italic>
<sub>1</sub> and <italic>E</italic>
<sub>2</sub> denote the Young&#x2019;s modulus of the metal (material-1) and ceramic (material-2) constituents of the FG beam respectively, <italic>k</italic> is the non-negative variable parameter (power-law exponent). Poisson&#x2019;s ratio is assumed to be a constant, and this can be found in the relevant references (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Pradhan and Chakraverty, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>). Thus, the Young&#x2019;s modulus of metal with respect to <italic>r/R</italic> is depicted for various <italic>k</italic>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The volume fraction of material-1 (metal) with respect to <italic>r/R</italic> for various <italic>k</italic>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g002.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> that <italic>k</italic> &#x3d; 0 represents the homogeneous material, <italic>k</italic> &#x3d; 1 represents the linearly distributed material and <italic>k</italic> &#x3d; 5 represents the exponential distribution material which changes rapidly in <italic>r</italic>-direction.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Assumptions and definitions for FG beam problem</title>
<p>Firstly, in order to facilitate theoretical derivation, the basic assumptions and definitions of beam problem are introduced.</p>
<p>Assumption 1: stress assumption.</p>
<p>Based on the elasticity theory for bending of a column, it is reasonable to assume that the following stress components vanish (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>)<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The <bold>Assumption 1</bold> adopted for columns is totally different from the plane stress assumption (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Aydogdu, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">&#x15e;im&#x15f;ek, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>) for beams with rectangular cross-section.</p>
<p>Assumption 2: displacement field assumption.</p>
<p>Based on <bold>Assumption 1</bold>, the displacement field of the column can be assumed in a general form as<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <italic>f</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub>(<italic>x</italic>), <italic>f</italic>
<sub>
<italic>1</italic>
</sub>(<italic>x</italic>) and <italic>f</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub>(<italic>x</italic>) are three unknown functions to be determined, <italic>g</italic> (<italic>y</italic>,<italic>z</italic>) is called the bidirectional warping function in (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Geng et al., 2017</xref>) with two properties<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It should be pointed out that, the displacement field assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> in the present work is different from the displacement field in the theory for beams with rectangular cross-section (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Geng et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>) due to the bidirectional warping function <italic>g</italic> (<italic>y</italic>,<italic>z</italic>).</p>
<p>In the first of <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, <italic>z</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub> is the neutral point defined in <bold>Definition 1</bold>.</p>
<p>Definition 1: <bold>the definition of neutral point.</bold> (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>)<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <italic>A</italic> is the area of cross-section and<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>is the tensile rigidity. Unlike homogeneous material beams, the neutral axis of FG beam is often inconsistent with the centroid axis, except for some special distribution of material, such as the radial FG distribution.</p>
<p>In addition, based on the displacement field <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, the definition of basic variables in the beam theory is also introduced.</p>
<p>Definition 2: the definition of generalized displacement.</p>
<p>Based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, the variables in beam theory are defined as<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the average stretch, <italic>&#x3d5;</italic>(<italic>x</italic>) is the rotation of cross-section and <italic>w</italic>(<italic>x</italic>) is the deflection of the FG beam. Without loss of generality, the neutral point <italic>z</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub> is involved in the definition of <italic>&#x3d5;</italic>(<italic>x</italic>), and<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>is the flexural rigidity.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Derivation of g (y,z) for circular cross-section</title>
<p>In order to derive the explicit expression of axial displacement, the shear stress free condition on the outer lateral surface is introduced as well which requires<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <bold>S</bold> is the outer boundary<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, the radial shear strain <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>xr</italic>
</sub> which can be expressed by<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <italic>n</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub> and <italic>n</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> are the cosines of outward normal on boundary <bold>S</bold> which are expressed <disp-formula id="e13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, the shear stress free condition is re-expressed as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In order to make <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> be satisfied, considering a simple case, the partial differential equation is given by<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It is worth mentioning that the right term of <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref> can also be selected as sinusoidal function, exponential function, logarithmic function and other forms with respect to <italic>S</italic> (<italic>y</italic>, <italic>z</italic>), which will derive a variety of HSD models.</p>
<p>On the one hand, by solving partial differential equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>, the explicit expression of <italic>g</italic> (<italic>y,z</italic>) can be derived as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>and the third-order HSD model is obtained.</p>
<p>On the other hand, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> is further recast as<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on <bold>Definition 1</bold> <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq. 8</xref> and making use of <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref>, the axial displacement of the FG beam can be represented by generalized displacements and arranged in the following orthogonal form<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In addition, we have following three properties to guarantee decoupling of the three terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>
<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It will be seen later that the orthogonal decomposition form of the axial displacement <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> is conducive to the complete decoupling of stretching, bending and warping of the FG beam, which lays a foundation for the simplification of the theoretical expression in this paper.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Constitutive relations of FG beam with circular cross-sections</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Definition of generalized strains and generalized stresses</title>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> and the last two of <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, the strains of the FG beam are further cast as<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on the first of <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref>, the normal strain of present LBT can be decomposed into 3 parts, i.e., the uniform stretching, the linear normal strain and the warping strain. The linear normal strain (<italic>z&#x3d5;&#x2019;</italic>) is the same as that obtained by the first-order model or TBT, while the warping strain a high-order deformation determined by bidirectional warping function <italic>g</italic> (<italic>y</italic>,<italic>z</italic>).</p>
<p>And the stresses are expressed as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, the normal stress of present LBT can be decomposed into 3 parts corresponding to the three strains, which are the uniform stretching, the first-order normal stress and the warping stress, respectively.</p>
<p>According to the expression of <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref>, the generalized strains of FG beam can be defined as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>And the generalized stresses (also called stress resultants) for the FG beam problem are defined as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <italic>N</italic>, <italic>M</italic> and <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are, respectively, the membrane force, the moment and the shear force well known in Engineering, <italic>P</italic> is called the higher-order moment, <italic>R</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> and <italic>R</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub> are two higher-order shear forces in the present work which are different from the <italic>R</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> in the theory for beams with rectangular cross-section (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Geng et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>). It should be noted that the three factors, i.e., 1, <italic>z</italic> and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, are extracted from the three terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Constitutive relations</title>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Eq. 24</xref> and making use of <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref>, the uncoupled constitutive relations of the FG beam expressed by generalized stresses and strains are<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where <italic>B</italic>
<sub>s</sub> is the shear rigidity, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>, <italic>&#x3b7;</italic>, <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> and <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub> are the four non-dimensional rigidity coefficients, and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> is like the shear coefficient <italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> in TBT. It is interesting to see that, the four of <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> are respectively related to stretching, bending, shearing and higher-order bending which are in the decoupling form (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>). Besides, these four coefficients will vary with the shape of the cross-section and the power-law exponent <italic>k</italic>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Calculation of the non-dimensional rigidity coefficients</title>
<p>By the way, the higher-order non-dimensional rigidity coefficients <italic>&#x3b7;</italic>, <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> and <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub> are relatively small which have been proved in the theory for FG beams with rectangular cross-section (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Pei et al., 2019</xref>), and this property still need to be verified in the present work.</p>
<p>Since the explicit expression of <italic>g</italic> (<italic>y,z</italic>) have already been obtained in <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>, the non-dimensional rigidity coefficients in <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq. 27</xref> are derived in the following form<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>with the following integral<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For comparative purpose, aluminum is chosen as the material-1 and zirconia is the material-2, of which the material properties are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Material Properties of FG beam.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Material type</th>
<th align="left">Young&#x2019;s modulus (GPa)</th>
<th align="left">Density</th>
<th align="left">Poisson&#x2019;s ratio</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1-Aluminum</td>
<td align="left">70</td>
<td align="left">2,702&#xa0;kg/m<sup>3</sup>
</td>
<td align="char" char=".">0.3</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2-Zirconia</td>
<td align="left">200</td>
<td align="left">5,700&#xa0;kg/m<sup>3</sup>
</td>
<td align="char" char=".">0.3</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The non-dimensional rigidity coefficients in <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref> are calculated and listed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. It is very interesting to notice the fact that the three higher-order rigidity coefficients (i.e. <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub>, <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub> and <italic>&#x3b7;</italic>) in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> are indeed small quantities for the FG beam with the third-order HSD mode, which are usually ignored in traditional LBT (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>). As for the shear coefficients <italic>K</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>, we know that <italic>K</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> is the shear coefficients in traditional LBT (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Huang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>) and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> is the shear coefficient corrected by the algebraic sum of <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> and <italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>. For the homogeneous beam (when <italic>k</italic> &#x3d; 0) with circular cross-section, there is no difference between the shear coefficient in the present LBT and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> &#x3d; 6/7 &#x2dc; 0.857 in TBT. It is worth mentioning that, according to the change of material distribution, the shear coefficients <italic>K</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> in LBT can be adjusted automatically, but the shear coefficient <italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> in TBT cannot.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>The calculated value of non-dimensional rigidity coefficients.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<italic>k</italic>
</th>
<th align="left">
<italic>&#x3bb;/R</italic>
<sup>2</sup>
</th>
<th align="left">
<italic>K</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>&#x3be;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>K</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</th>
<th align="left">
<italic>&#x3b7;</italic>
</th>
<th align="left">
<italic>K</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">0.0</td>
<td align="char" char=".">0.222</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
<td align="char" char=".">-0.031</td>
<td align="char" char=".">0.031</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">0.2</td>
<td align="char" char=".">0.225</td>
<td align="char" char=".">0.847</td>
<td align="char" char=".">-0.037</td>
<td align="char" char=".">0.032</td>
<td align="char" char=".">0.842</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">0.5</td>
<td align="char" char=".">0.228</td>
<td align="char" char=".">0.834</td>
<td align="char" char=".">-0.045</td>
<td align="char" char=".">0.034</td>
<td align="char" char=".">0.823</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">1.0</td>
<td align="char" char=".">0.232</td>
<td align="char" char=".">0.820</td>
<td align="char" char=".">-0.053</td>
<td align="char" char=".">0.036</td>
<td align="char" char=".">0.803</td>
<td align="char" char=".">0.009</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">2.0</td>
<td align="char" char=".">0.238</td>
<td align="char" char=".">0.804</td>
<td align="char" char=".">-0.059</td>
<td align="char" char=".">0.040</td>
<td align="char" char=".">0.785</td>
<td align="char" char=".">0.009</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">5.0</td>
<td align="char" char=".">0.245</td>
<td align="char" char=".">0.798</td>
<td align="char" char=".">-0.054</td>
<td align="char" char=".">0.043</td>
<td align="char" char=".">0.787</td>
<td align="char" char=".">0.009</td>
<td align="char" char=".">0.857</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Dimensionless maximum transverse deflections <italic>w</italic> (0)&#x2a; 100<italic>E</italic>
<sub>1</sub>
<italic>R</italic>
<sup>3</sup>/<italic>q</italic>
<sub>0</sub>
<italic>L</italic>
<sup>3</sup>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<italic>L/R</italic>
</th>
<th align="left">
<italic>k</italic>
</th>
<th align="left">Present LBT</th>
<th align="left">Huang (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>)</th>
<th align="left">TBT (<italic>K</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 6/7)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td rowspan="6" align="left">5</td>
<td align="char" char=".">0.0</td>
<td align="char" char=".">1.425823</td>
<td align="char" char=".">1.425823</td>
<td align="char" char=".">1.425823</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">0.2</td>
<td align="char" char=".">1.514111</td>
<td align="char" char=".">1.508403</td>
<td align="char" char=".">1.497451</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">0.5</td>
<td align="char" char=".">1.637216</td>
<td align="char" char=".">1.623813</td>
<td align="char" char=".">1.597321</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">1.0</td>
<td align="char" char=".">1.819026</td>
<td align="char" char=".">1.795627</td>
<td align="char" char=".">1.746371</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">2.0</td>
<td align="char" char=".">2.109049</td>
<td align="char" char=".">2.075743</td>
<td align="char" char=".">1.993384</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">5.0</td>
<td align="char" char=".">2.627367</td>
<td align="char" char=".">2.603396</td>
<td align="char" char=".">2.486530</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="6" align="left">10</td>
<td align="char" char=".">0.0</td>
<td align="char" char=".">1.583731</td>
<td align="char" char=".">1.583731</td>
<td align="char" char=".">1.583731</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">0.2</td>
<td align="char" char=".">1.655691</td>
<td align="char" char=".">1.652837</td>
<td align="char" char=".">1.647360</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">0.5</td>
<td align="char" char=".">1.757217</td>
<td align="char" char=".">1.750515</td>
<td align="char" char=".">1.737269</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">1.0</td>
<td align="char" char=".">1.910456</td>
<td align="char" char=".">1.898756</td>
<td align="char" char=".">1.874128</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">2.0</td>
<td align="char" char=".">2.166210</td>
<td align="char" char=".">2.149556</td>
<td align="char" char=".">2.108377</td>
</tr>
<tr>
<td align="char" char=".">5.0</td>
<td align="char" char=".">2.676706</td>
<td align="char" char=".">2.664721</td>
<td align="char" char=".">2.606288</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 The lower-order uncoupled theory for FG beam</title>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Principle of virtual work</title>
<p>In the theory of elasticity, the principle of virtual work for elastic body can be written as<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the virtual deformation energy and <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the external virtual work, <italic>q</italic>(<italic>x</italic>) is the distributed load with respect to <italic>x</italic>-coordinate.</p>
<p>On the other hand, according to the generalized strains and stresses of the FG beam, the principle of virtual work for FG beams can be written as<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Noticing <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eqs. 21</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> and making use of the orthogonal properties <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref>, it is easy to prove the equivalence of <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">Eq. 30</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq.(31)</xref>. That is to say that the principle of virtual work of FG beam is variationally consistent with the one of elastic body which will lead to the HBT.</p>
<p>However, considering the characteristic of the small parameter <italic>&#x3b7;</italic> in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref> and ignoring the virtual deformation energy caused by high-order bending moment <italic>P</italic>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref> will degenerate into an approximate form which is<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Modified uncoupled LBT for FG beam</title>
<p>
<italic>Via</italic> integration by parts, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref> yields<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref>, the equilibrium equations are obtained as<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>And the corresponding BCs (e.g. at the end of <italic>x</italic> &#x3d; <italic>x</italic>
<sub>0</sub>) are<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It can be seen from <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> that, equilibrium equations are frame independent, and the stretching, bending, higher-order bending are reciprocally uncoupled in the present framework with the help of the definitions of neutral point and generalized displacements, i.e., <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq. 8</xref>. In contrast, due to the coupled constitutive relations, the equilibrium equations will inevitably be coupled between bending and tension for the higher-order theories in (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Aydogdu and Taskin, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Thai and Vo, 2012</xref>).</p>
<p>Making use of <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>, in terms of the generalized displacements, the governing equations of the variationally approximated lower-order theory are<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As we can see, the first of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> is the separately governing equation for stretch. Using the second of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> to eliminate <italic>&#x3d5;</italic>, in terms of <italic>w</italic>, the third of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> yields the governing equation for deflection as<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>After manipulations, it is not difficult to obtain the rotation as<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2034;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> provides three pairs of different boundary conditions for <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref>. Among them, the first pair (2 in total) is also individually responsible for stretch governed by the first of <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> -a second-order ODE, while the last two pairs (4 in total) are individually for bending governed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref> -a fourth-order ODE. Different from the coupled governing equations in (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>), the present theory has concise mathematical form and clear physical meaning. Noticing that <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> are derived from the approximate principle of virtual work <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref>, compared with the variationally consistent HBT (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Pei et al., 2018</xref>), the present LBT will bring great convenience to the calculation due to the reduction of the differential order of the governing equation.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Theoretical results and comparison</title>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Solutions of a Clamped-Clamped FG beam by present LBT</title>
<p>In this section, the static bending problem of the FG beam will be studied to demonstrated the validity and accuracy of the present LBT. Considering the Clamped-Clamped (C-C) supported FG beam subjected to uniformly distributed load (<italic>q</italic>(<italic>x</italic>) &#x3d; <italic>q</italic>
<sub>0</sub>), based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, the C-C BCs can be expressed by<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eqs. 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref> are in the same form as the governing equations of lower-order theory for homogeneous beams (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Duan and Li, 2016b</xref>), it is convenient to obtain the theoretical solutions expressed as<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>24</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>48</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>384</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>24</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>48</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Comparison of the transverse deflections</title>
<p>In order to illustrate the correctness of the calculation results in this paper, the comparison of dimensionless maximum transverse deflections <italic>w</italic> (0)&#x2a;100<italic>E</italic>
<sub>1</sub>
<italic>R</italic>
<sup>3</sup>/<italic>q</italic>
<sub>0</sub>
<italic>L</italic>
<sup>3</sup> by present LBT, by Huang (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang, 2020</xref>) and by TBT with <italic>K</italic>
<sub>T</sub> &#x3d; 6/7 are listed in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>.</p>
<p>In addition, for the case when <italic>L/R</italic> &#x3d; 5 and <italic>k</italic> &#x3d; 0 or 5, the dimensionless transverse deflections <italic>w</italic>(<italic>x</italic>)&#x2a; 100<italic>E</italic>
<sub>1</sub>
<italic>R</italic>
<sup>3</sup>/<italic>q</italic>
<sub>0</sub>
<italic>L</italic>
<sup>3</sup> are compared, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The comparison of the dimensionless deflections curves <italic>w</italic>(<italic>x</italic>)&#x2a; 100<italic>E</italic>
<sub>1</sub>
<italic>R</italic>
<sup>3</sup>/<italic>q</italic>
<sub>0</sub>
<italic>L</italic>
<sup>3</sup>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g003.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> that the results are the same for a homogeneous beam (i.e., <italic>k</italic> &#x3d; 0). For the FG beam when <italic>k</italic> &#x3d; 5, the deflection obtained by the present LBT is slightly larger than that obtained by Huang, and is also larger than that obtained by TBT.</p>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>5.3 Comparison of the normal strains and stresses</title>
<p>The fact is that the bidirectional warping effect on the cross-section can be described based on the present LBT which is not taken into consideration in TBT because of the rigid cross-section hypothesis and can only be described in <italic>z</italic>-direction for beams with rectangular cross-section because of the one-variate warping function <italic>g</italic>(<italic>z</italic>). In view of this, it is very interesting to study the warping effect on the circular cross-section through the bidirectional warping function <italic>g</italic> (<italic>y</italic>, <italic>z</italic>).</p>
<p>Considering the cross-section of the FG beam with <italic>L/R</italic> &#x3d; 10&#xa0;at <italic>x</italic> &#x3d; 0, the normal strains are described by the present LBT for <italic>k</italic> &#x3d; 0 and <italic>k</italic> &#x3d; 5 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, respectively.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The normal strain and its decomposition for <italic>k</italic> &#x3d; 0.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The normal strain and its decomposition for <italic>k</italic> &#x3d; 5.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g005.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> that the normal strains are both symmetric about the <italic>z</italic>-axis and anti-symmetric about the <italic>y</italic>-axis, and this characteristic can also be found in radial shear strain and stresses (or in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>). It can be found from <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref> that, in the pure bending problem, the normal strains are composed of two parts, i.e., the linear part and the warping part. Because the warping part is much smaller than the linear part, the normal strains are mainly determined by the linear part. The warping part obeys the variation law of cubic function in <italic>z</italic>-direction, and is significantly affected by the power-law exponent <italic>k</italic>. By comparing <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, it can be seen that there is an obvious transition area of material properties on the cross-section when <italic>k</italic> &#x3d; 5, which leads to a more obvious difference between tensile and compressive deformation in the warping part of the normal strain.</p>
<p>Meanwhile, the normal stresses are described by the present LBT for <italic>k</italic> &#x3d; 0 and <italic>k</italic> &#x3d; 5 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The normal stress and its decomposition for <italic>k</italic> &#x3d; 0.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>The normal stress and its decomposition for <italic>k</italic> &#x3d; 5.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g007.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> that the stress distribution is obviously affected by the power-law exponent <italic>k</italic>. Compared with the results for <italic>k</italic> &#x3d; 0, when <italic>k</italic> &#x3d; 5 the normal stress is obviously eased, and the transition regions of tensile and compressive stresses move to the upper and lower boundaries respectively. Meanwhile, the warping parts of normal stresses have little effect on the normal stress distribution, and the warping part is also eased for <italic>k</italic> &#x3d; 5.</p>
</sec>
<sec id="s5-4">
<title>5.4 Comparison of the radial shear strains and stresses</title>
<p>Since the shear stress free condition on the outer lateral surface is adopted in the HSD model, the radial shear strain and stress state on the cross-section need to be discussed.</p>
<p>Based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, the non-dimensional radial shear strain and stress can be expressed as<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Obviously, according to the first of <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Eq. 42</xref>, the non-dimensional radial shear strain on cross-section of FG beam is independent of <italic>k</italic>, which is shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. The peaks of the radial shear strain appear near the centroid of the upper and lower semi-circles. In addition, the non-dimensional radial shear stresses on cross-section of FG beam for <italic>k</italic> &#x3d; 0 and 5 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>The non-dimensional radial shear strain.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g008.tif"/>
</fig>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>The non-dimensional radial shear stresses for <italic>k</italic> &#x3d; 0 and <italic>k</italic> &#x3d; 5.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-1020820-g009.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> that the radial shear strain and stresses are free on the boundary of the cross-section. This further verifies the rationality of the HSD model. In <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, compared with radial shear stress for <italic>k</italic> &#x3d; 0, the peaks of the radial shear stress move to the upper and lower boundaries for <italic>k</italic> &#x3d; 5, respectively.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>In this paper, the modified uncoupled LBT based on the third-order HSD model has been established for FG beams with circular cross-section <italic>via</italic> the asymptotic principle of virtual work. The pure bending problem of the C-C FG beam has been studied, and the accuracy and effectiveness of the present uncoupled LBT can be confirmed by comparing the results with those calculated by the TBT and the coupled LBT.</p>
<p>There are three main outcomes of the investigation listed as follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) The nonphysical coupling between bending and stretch has been removed in the present theory.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) The bidirectional warping function of the third-order HSD model that satisfied the shear stress free condition on the boundary of circular cross-section has been derived.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) The effects of shear, warping and stress mitigation acting on the cross-section have been described graphically.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The current idea can be extended to the uncoupled lower-order and higher-order theories for FG beams with elliptic or thin-walled cross-section. The study on these topics will be reported elsewhere.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s7">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>TD: Theoretical derivation and writing draft paper. XL: writing&#x2014;reviewing and supervision. YX: numerical calculation and writing. LZ: writing&#x2014;reviewing and supervision. CC: paper editing. ZL: Material scheme design.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nos. J2020-001, ZJ2021-08) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U2033213, 51864026). The authors are grateful for their financial support.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aydogdu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>A new shear deformation theory for laminated composite plates</article-title>. <source>Compos. Struct.</source> <volume>89</volume>, <fpage>94</fpage>&#x2013;<lpage>101</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2008.07.008</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aydogdu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Taskin</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Free vibration analysis of functionally graded beams with simply supported edges</article-title>. <source>Mater. Des.</source> <volume>28</volume>, <fpage>1651</fpage>&#x2013;<lpage>1656</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.matdes.2006.02.007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Belabed</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahmed Houari</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tounsi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mahmoud</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anwar B&#xe9;g</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>An efficient and simple higher order shear and normal deformation theory for functionally graded material (FGM) plates</article-title>. <source>Compos. Part B Eng.</source> <volume>60</volume>, <fpage>274</fpage>&#x2013;<lpage>283</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesb.2013.12.057</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cowper</surname>
<given-names>G. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1966</year>). <article-title>The shear coefficient in Timoshenko&#x2019;s beam theory</article-title>. <source>J. Appl. Mech.</source> <volume>33</volume>, <fpage>335</fpage>&#x2013;<lpage>340</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3625046</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>S. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alpdogan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Taciroglu</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Much ado about shear correction factors in Timoshenko beam theory</article-title>. <source>Int. J. Solids Struct.</source> <volume>47</volume>, <fpage>1651</fpage>&#x2013;<lpage>1665</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2010.02.018</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Vibration analysis of rotating functionally graded tapered beams with hollow circular cross-section</article-title>. <source>Aerosp. Sci. Technol.</source> <volume>95</volume>, <fpage>105476</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ast.2019.105476</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Discussion: &#x201c;A sixth-order theory of shear deformable beams with variational consistent boundary conditions&#x201d; (Shi, G., and Voyiadjis, G. Z., 2011, ASME J. Appl. Mech., 78(021019), pp. 1-11)</article-title>. <source>J. Appl. Mech.</source> <volume>83</volume>, <fpage>025501</fpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Study on higher-order shear deformation theories of Thick-plate</article-title>. <source>Chin. J. Theor. Appl. Mech.</source> <volume>48</volume>, <fpage>1096</fpage>&#x2013;<lpage>1113</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>The unified solution for a beam of rectangular cross-section with different higher-order shear deformation models</article-title>. <source>Lat. Am. J. solids Struct.</source> <volume>13</volume>, <fpage>1716</fpage>&#x2013;<lpage>1737</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1590/1679-78252732</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>El Meiche</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tounsi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ziane</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mechab</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bedia</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>A new hyperbolic shear deformation theory for buckling and vibration of functionally graded sandwich plate</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>53</volume>, <fpage>237</fpage>&#x2013;<lpage>247</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2011.01.004</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Geng</surname>
<given-names>P. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duan</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>An uncoupled higher-order beam theory and its finite element implementation</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>134</volume>, <fpage>525</fpage>&#x2013;<lpage>531</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2017.10.041</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Bending and free vibrational analysis of bi-directional functionally graded beams with circular cross-section</article-title>. <source>Appl. Math. Mech.</source> <volume>41</volume>, <fpage>1497</fpage>&#x2013;<lpage>1516</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-020-2670-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J. X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>L. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Higher-order theory for bending and vibration of beams with circular cross section</article-title>. <source>J. Eng. Math.</source> <volume>80</volume>, <fpage>91</fpage>&#x2013;<lpage>104</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10665-013-9620-2</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hutchinson</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Shear coefficients for timoshenko beam theory</article-title>. <source>J. Appl. Mech.</source> <volume>68</volume>, <fpage>87</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.1349417</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kapuria</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bhattacharyya</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>A. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Bending and free vibration response of layered functionally graded beams: A theoretical model and its experimental validation</article-title>. <source>Compos. Struct.</source> <volume>82</volume>, <fpage>390</fpage>&#x2013;<lpage>402</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2007.01.019</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levinson</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1981</year>). <article-title>A new rectangular beam theory</article-title>. <source>J. Sound Vib.</source> <volume>74</volume>, <fpage>81</fpage>&#x2013;<lpage>87</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0022-460x(81)90493-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liao</surname>
<given-names>W.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Vibration control and analysis of a rotating flexible FGM beam with a lumped mass in temperature field</article-title>. <source>Compos. Struct.</source> <volume>208</volume>, <fpage>244</fpage>&#x2013;<lpage>260</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2018.09.070</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>A unified approach for analyzing static and dynamic behaviors of functionally graded Timoshenko and Euler&#x2013;Bernoulli beams</article-title>. <source>J. Sound Vib.</source> <volume>318</volume>, <fpage>1210</fpage>&#x2013;<lpage>1229</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2008.04.056</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>W. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Free vibration of radially graded hollow cylinders subject to axial force via a higher-order shear deformation beam theory</article-title>. <source>Compos. Struct.</source> <volume>255</volume>, <fpage>112957</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2020.112957</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Neves</surname>
<given-names>A. M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferreira</surname>
<given-names>A. J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carrera</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cinefra</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roque</surname>
<given-names>C. M. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jorge</surname>
<given-names>R. M. N.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Static, free vibration and buckling analysis of isotropic and sandwich functionally graded plates using a quasi-3D higher-order shear deformation theory and a meshless technique</article-title>. <source>Compos. Part B Eng.</source> <volume>44</volume>, <fpage>657</fpage>&#x2013;<lpage>674</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesb.2012.01.089</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pei</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geng</surname>
<given-names>P. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A modified higher-order theory for FG beams</article-title>. <source>Eur. J. Mech. - A/Solids</source> <volume>72</volume>, <fpage>186</fpage>&#x2013;<lpage>197</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euromechsol.2018.05.008</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pei</surname>
<given-names>Y. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geng</surname>
<given-names>P. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A modified uncoupled lower-order theory for FG beams</article-title>. <source>Arch. Appl. Mech.</source> <volume>89</volume>, <fpage>755</fpage>&#x2013;<lpage>768</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00419-018-1494-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Popescu</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hodges</surname>
<given-names>D. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>On asymptotically correct Timoshenko-like anisotropic beam theory</article-title>. <source>Int. J. Solids Struct.</source> <volume>37</volume>, <fpage>535</fpage>&#x2013;<lpage>558</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0020-7683(99)00020-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pradhan</surname>
<given-names>K. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chakraverty</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Effects of different shear deformation theories on free vibration of functionally graded beams</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>82</volume>, <fpage>149</fpage>&#x2013;<lpage>160</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2014.03.014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reddy</surname>
<given-names>J. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>C. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>G. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ng</surname>
<given-names>K. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Bending solutions of Levinson beams and plates in terms of the classical theories</article-title>. <source>Int. J. Solids Struct.</source> <volume>38</volume>, <fpage>4701</fpage>&#x2013;<lpage>4720</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0020-7683(00)00298-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rezaiee-Pajand</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Masoodi</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Stability analysis of frame having FG tapered beam&#x2013;column</article-title>. <source>Int. J. Steel Struct.</source> <volume>19</volume>, <fpage>446</fpage>&#x2013;<lpage>468</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s13296-018-0133-8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Voyiadjis</surname>
<given-names>G. Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>A sixth-order theory of shear deformable beams with variational consistent boundary conditions</article-title>. <source>J. Appl. Mech.</source> <volume>78</volume>, <fpage>021019</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.4002594</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#x15e;im&#x15f;ek</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Fundamental frequency analysis of functionally graded beams by using different higher-order beam theories</article-title>. <source>Nucl. Eng. Des.</source> <volume>240</volume>, <fpage>697</fpage>&#x2013;<lpage>705</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nucengdes.2009.12.013</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Thai</surname>
<given-names>H.-T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vo</surname>
<given-names>T. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Bending and free vibration of functionally graded beams using various higher-order shear deformation beam theories</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>62</volume>, <fpage>57</fpage>&#x2013;<lpage>66</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2012.05.014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Timoshenko</surname>
<given-names>S. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1921</year>). <article-title>LXVI. <italic>On the correction for shear of the differential equation for transverse vibrations of prismatic bars</italic>
</article-title>. <source>Lond. Edinb. Dublin Philosophical Mag. J. Sci.</source> <volume>41</volume>, <fpage>744</fpage>&#x2013;<lpage>746</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/14786442108636264</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hodges</surname>
<given-names>D. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Volovoi</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cesnik</surname>
<given-names>C. E. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>On Timoshenko-like modeling of initially curved and twisted composite beams</article-title>. <source>Int. J. Solids Struct.</source> <volume>39</volume>, <fpage>5101</fpage>&#x2013;<lpage>5121</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0020-7683(02)00399-2</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>