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     Applied Mathematics
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    2152-7385
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    2152-7393
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     Scientific Research Publishing
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    10.4236/am.2024.1511045
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      Articles
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      Physics 
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       Mathematics
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    Safety Limits for Pre-Tension of Membrane Roofs on Closed Structure in Air Flow
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      <sup>1</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff3"> 
      <sup>3</sup>
     </xref>
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      <sup>1</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff3"> 
      <sup>3</sup>
     </xref>
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      <sup>2</sup>
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     aSchool of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Handan, China
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     2024
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      November
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    <date date-type="accepted">
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      23,
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      November
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    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
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     2014
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    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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   <abstract>
    The stiffness required for the normal operation of membrane roof comes from the application of pre-tension. When the pre-tension is too small, it is easy to cause instability under the action of wind load, which leads to excessive deformation of the roof and local or overall damage. In order to ensure that the membrane roof is always in normal use state in the airflow field, this paper takes the membrane pretension as the control parameter to study the value of safety pretension of closed membrane roof. According to the theory of large deflection of membrane and Galerkin method, the nonlinear vibration differential equation of membrane roof under static wind is established, and the critical state of safe working of membrane roof is determined by judging the stability of the solution of the equation, and the expression of critical wind speed is obtained. By establishing the inequality relationship between local design wind speed and critical wind speed, the safety pretension limit of membrane roof under specific site can be obtained. The research shows that the safety pretension limits of closed membrane roofs are different in different areas under different design return periods. In addition, the value of safety pretension is related to the film geometry.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Membrane Roof
    </kwd> 
    <kwd>
      Pre-Tension
    </kwd> 
    <kwd>
      Aerodynamic Stability
    </kwd> 
    <kwd>
      Critical Wind Speed
    </kwd>
   </kwd-group>
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 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>Membrane materials are usually used as enclosure materials (such as membrane roofs) or structural materials (such as inflatable membrane structures) in stadiums, architectural sketches and other buildings. These widely used membranes have small dead weight and low stiffness, which leads to extremely easy vibration under wind load. If the initial pre-tension of the membrane is too small, it may lead to instability of the membrane roof, and the membrane will be torn and destroyed due to excessive vibration amplitude. In history, there are many engineering cases of membrane roof damage. Atlanta Georgia Dome, Japan Xiongding Park membrane structure roof, Guangzhou Yihe Mountain Villa membrane structure, Jiaxing Pinghu Gymnasium membrane roof, etc. all suffer from instability and damage when the wind speed is lower than the design, which shows that the value of membrane pre-tension according to the current technical regulations of membrane structure cannot completely guarantee the safe use of membrane structure.</p>
   <p>The stiffness of roofing membrane mainly comes from the initial tensile force applied to the membrane. Studies by Shen Shizhao, Wu Yue and other scholars have shown that <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-1">
     [1]
    </xref>: When the flexible membrane structure is in a relaxed state, that is, when the pre-tension is insufficient, instability will occur, leading to the destruction of the membrane structure. For the study of instability and failure of membrane structure, in 2011, Zheng Zhoulian et al. determined the critical state of instability of small sag flat membrane structure and saddle membrane structure under wind load, and proved that the critical wind speed of instability is related to the initial pretension of membrane material <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-2">
     [2]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-3">
     [3]
    </xref>; In 2015, Chen Zhaoqing et al. conducted aeroelastic model wind tunnel test of unidirectional tension membrane roof and discussed its instability mechanism <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-4">
     [4]
    </xref>. In 2017, Liu et al. studied the stability of tensile membrane structure under wind load by Galerkin method, and obtained the main control factors to improve the stability of membrane structure <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-5">
     [5]
    </xref>. In addition, many scholars have studied the wind-induced vibration response of membrane structures, but they have not quantitatively given the specific limits of pretension to prevent wind-induced damage <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-6">
     [6]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-10">
     [10]
    </xref>. The purpose of this paper is to determine the safe pretension limit of membrane roof in air flow field so as to avoid the occurrence of instability.</p>
   <p>In this paper, the dynamic control equation of closed membrane roof under wind load is established, and the improved multi-scale method is used to solve it analytically. The closed expression of critical wind speed of instability is obtained by judging the criterion of critical condition of instability, and the inequality between site design wind speed and critical wind speed is established, and the safety pretension limit of closed membrane roof is obtained to prevent instability under specific wind field, which provides theoretical basis for determining the pretension in membrane structure design.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Derivation of Critical Wind Speed Expression for Instability of Membrane Roof</title>
   <p>With the vibration of membrane roof, the transverse amplitude of membrane is relatively large, which is in the same order of magnitude as the thickness of membrane, showing a strong nonlinear state. However, most of the traditional nonlinear solution methods are only suitable for weak nonlinear systems, but not when the amplitude of membrane is large. Therefore, the improved multi-scale method is used to study the vibration of membrane.</p>
   <sec id="s2_1">
    <title>2.1. Governing Equation of Vibration and Boundary Conditions</title>
    <p>Let the length and width of the four-sided fixed membrane roof be a and b respectively; The pretension along the length direction is N0x, and the pretension along the width direction is N0y; The wind blows parallel to the membrane surface, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
      Figure 1
     </xref>. Single-mode divergent instability characterized by large vibration will occur in the state of relaxation or insufficient pre-tension of roof membrane <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-2">
      [2]
     </xref>. According to the test results carried out by Usenatsu, Kimoto et al. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-11">
      [11]
     </xref>, it is found that the film does not tear when the single-mode divergent instability occurs, but only the vibration displacement amplitude jumps. Therefore, this paper assumes that the film is still in the linear elastic stage when the divergent instability occurs.</p>
    <fig id="fig1" position="float">
     <label>Figure 1</label>
     <caption>
      <title>Figure 1. The membrane roof on closed structure.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/7405351-rId12.jpeg?20241126020924" />
    </fig>
    <p>When the roof membrane vibrates, the generalized external load includes wind load acting on the membrane surface, structural damping force and inertia force <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-2">
      [2]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-3">
      [3]
     </xref>. In the process of membrane vibration, ignoring the influence of shear stress <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-12">
      [12]
     </xref>, the dynamic governing equations of roof membrane are as follows:</p>
    <p>
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                  x 
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             + 
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                N 
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                 x 
               </mi> 
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              ) 
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             + 
           </mo> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
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           </mi> 
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             = 
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           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (1)</p>
    <p>where h is the thickness of the film; 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> represent Young’s modulus of elasticity in the x-direction and y-direction, respectively; w represents the normal vibration displacement of the membrane material; 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ρ 
      </mi> 
     </math> is the surface density of the film material; c represents the damping coefficient of membrane material; 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         φ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         φ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> denotes the stress function.</p>
    <p>The membrane roof is fixed on four sides, so the boundary conditions are:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (2)</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>2.2. Solution of Vibration Governing Equation</title>
    <p>Since the initial surface function of the membrane roof is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the surface equation of the roof under wind load is</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         z 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         w 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (3)</p>
    <p>The initial curvature of the roof membrane and the curvature during vibration are</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               z 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               z 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (4)</p>
    <p>Let the solution of the governing equation be <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-12">
      [12]
     </xref></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         w 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         sin 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mi>
         sin 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          b 
        </mi> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> (5)</p>
    <p>In reference <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-2">
      [2]
     </xref>, the partial differential equation of wind-induced vibration of membrane roof is obtained as follows:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              γ 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <msup> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                γ 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                γ 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msup> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              γ 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (6)</p>
    <p>where,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
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          <mi>
            γ 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
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              ∬ 
            </mo> 
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               R 
             </mi> 
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            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
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             ( 
           </mo> 
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             W 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtable columnalign="left"> 
           <mtr> 
            <mtd> 
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              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
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                y 
              </mi> 
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                = 
              </mo> 
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             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
          </mtable> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
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           η 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
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          <mrow> 
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            </mo> 
            <mrow> 
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               R 
             </mi> 
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             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mfrac> 
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              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
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                m 
              </mi> 
              <mi>
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              </mi> 
              <mi>
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              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mfrac> 
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             n 
           </mi> 
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           </mi> 
           <mi>
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           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            γ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
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              ∬ 
            </mo> 
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             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
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             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
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                ∂ 
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              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtable columnalign="left"> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
          </mtable> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
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            <mrow> 
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               R 
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            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
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             </mn> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mfrac> 
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              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
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             n 
           </mi> 
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             π 
           </mi> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            γ 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
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                 r 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                W 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtable columnalign="left"> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
          </mtable> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            γ 
          </mi> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtable columnalign="left"> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
           <mtr> 
            <mtd> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
          </mtable> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ξ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mrow> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             η 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ξ 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           η 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Equation (6) is integrated using the Bubnov-Galerkin method, yields,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               { 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  ρ 
                </mi> 
                <mi>
                  W 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
                <mfrac> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     ρ 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mi>
                   π 
                 </mi> 
                </mfrac> 
                <msub> 
                 <mi>
                   γ 
                 </mi> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mtext>
                   d 
                 </mtext> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mtext>
                  d 
                </mtext> 
                <msup> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 [ 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mfrac> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     ρ 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                  <mi>
                    V 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mrow> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                  <mi>
                    π 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mfrac> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     γ 
                   </mi> 
                   <mn>
                     2 
                   </mn> 
                  </msub> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     γ 
                   </mi> 
                   <mn>
                     4 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
                <mi>
                  ρ 
                </mi> 
                <mi>
                  c 
                </mi> 
                <mi>
                  W 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ] 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mtext>
                  d 
                </mtext> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mtext>
                  d 
                </mtext> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msup> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              γ 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             h 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 Φ 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 Φ 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <mi>
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            } 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           W 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (7)</p>
    <p>The integration region in Equation (7) is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Simplifying Equation (7), yields,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               4 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               4 
             </mn> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <msup> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <msup> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <msup> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               4 
             </mn> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             h 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
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                a 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mn>
                1 
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             </msub> 
             <msup> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
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           </mn> 
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              a 
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           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mn>
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           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msup> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (8)</p>
    <p>where</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle displaystyle="true"> 
               <mrow> 
                <munder> 
                 <mo>
                   ∬ 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    R 
                  </mi> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </munder> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
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                    r 
                  </mi> 
                 </mfrac> 
                 <mi>
                   sin 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     m 
                   </mi> 
                   <mi>
                     π 
                   </mi> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </mstyle> 
              <mi>
                sin 
              </mi> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <mi>
                  η 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle displaystyle="true"> 
               <mrow> 
                <munder> 
                 <mo>
                   ∬ 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    R 
                  </mi> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </munder> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                  <mi>
                    r 
                  </mi> 
                 </mfrac> 
                 <mi>
                   cos 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     m 
                   </mi> 
                   <mi>
                     π 
                   </mi> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </mstyle> 
              <mi>
                sin 
              </mi> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <mi>
                  η 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle displaystyle="true"> 
               <mrow> 
                <munder> 
                 <mo>
                   ∬ 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    R 
                  </mi> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </munder> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                    <mn>
                      3 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  ξ 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mi>
                cos 
              </mi> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mi>
                  m 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <mi>
                  ξ 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mi>
                 a 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <mi>
                sin 
              </mi> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <mi>
                  η 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <munder> 
            <mo>
              ∬ 
            </mo> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle displaystyle="true"> 
               <mrow> 
                <munder> 
                 <mo>
                   ∬ 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    R 
                  </mi> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </munder> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                  <mrow> 
                   <msup> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                    <mn>
                      3 
                    </mn> 
                   </msup> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mi>
                   sin 
                 </mi> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     m 
                   </mi> 
                   <mi>
                     π 
                   </mi> 
                   <mi>
                     ξ 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mi>
                    a 
                  </mi> 
                 </mfrac> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </mstyle> 
              <mi>
                sin 
              </mi> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <mi>
                  η 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                η 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>In Equation (8), 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, Let 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, according to the</p>
    <p>calculation principle of improved multi-scale method <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-13">
      [13]
     </xref>, take the perturbation</p>
    <p>parameters as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <msup> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mn>
            5 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           16 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>, then, Equation (8) can be simplified</p>
    <p>as:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ¨ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mover accent="true"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ˙ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (9)</p>
    <p>where,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             V 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             V 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Let ω be the vibration frequency of the roof membrane, and expand 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> near 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> into a power series of ε, that is,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ε 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> (10)</p>
    <p>Letting,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> (11)</p>
    <p>Then,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> (12)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Expand ω<sup>2</sup> into a power series of ε <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-14">
      [14]
     </xref>,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               ε 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                ε 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                ε 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (13)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
            <mn>
              8 
            </mn> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                δ 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (14)</p>
    <p>The solution of Equation (9) can be assumed to be</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> (15)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>The differential operators can be obtained as follows:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <msup> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (16)</p>
    <p>By substituting Equations (11)-(13) and (16) into Equation (9) and collating, we can obtain:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mi>
                 α 
               </mi> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  α 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mo>
                 ⋯ 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (17)</p>
    <p>Expand Equation (17), let the coefficients of each power of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math> in the equation be zero, yields,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  ω 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  D 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
                <mn>
                  3 
                </mn> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                D 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              D 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (18)</p>
    <p>The solution of the first equation in the system of Equation (18) can be</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (19)</p>
    <p>By substituting Equation (19) into 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, yields:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mover accent="true"> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mo>
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ω 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msup> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (20)</p>
    <p>Where cc is a conjugate complex number, let:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (21)</p>
    <p>Solving Equations (21), yields</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mn>
           8 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mtext>
            e 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mtext>
            e 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (22)</p>
    <p>Let 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, then substitute it into Equation (22) and separate the imaginary</p>
    <p>and real parts,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <msub> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <msub> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mn>
               3 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mn>
               8 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (23)</p>
    <p>substitute 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> into Equation (19), yields:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           ω 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (24)</p>
    <p>It can be obtained from Equations (24) and (14) that under the first-order approximation condition</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> (25)</p>
    <p>Combining Equations (23) and (25), yields:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (26)</p>
    <p>By substituting Equation (26) into Equation (23) and omitting the higher-order terms, yields:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> (27)</p>
    <p>The existing research results show that when the membrane roof reaches the critical state of instability, the frequency of the characteristic equation of the system approaches zero <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-2">
      [2]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-3">
      [3]
     </xref>. i.e.:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (28)</p>
    <p>where f is the vibration amplitude of the membrane material.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msub> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>From Equation (28), the critical wind speed when the roof membrane material is instable can be obtained as follows:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msub> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
               <mi>
                 y 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
           <msup> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <msup> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <msup> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               4 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
             8 
           </mn> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> (29)</p>
    <p>where f is the vibration amplitude, that is, the vibration amplitude corresponding to the critical wind speed of instability. It shows that the critical wind speed is related to the vibration amplitude. Because the geometric nonlinear influence of membrane is considered, the stiffness of membrane will change with the change of amplitude in the vibration process, which will affect the stability of the structure to a certain extent, which is consistent with the existing research results. When f → 0, the critical wind speed calculated according to the small deflection theory can be obtained.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Minimum Pre-Tension of Membrane Roof</title>
   <p>The principle of determining the safety pre-tension of the membrane roof under a specific site is that under the local design maximum wind speed, the membrane roof will not be instable and damaged, that is, the local design maximum wind speed is less than or equal to the critical wind speed of instability, that is:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (30)</p>
   <p>Substituting Equation (29) into Equation (30), yields:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               π 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
          <mi>
            ε 
          </mi> 
          <msup> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              π 
            </mi> 
            <msup> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            8 
          </mn> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </msub> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> (31)</p>
   <p>where, V is the local design wind speed.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msqrt> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   m 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msup> 
                 <mi>
                   π 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msup> 
                 <mi>
                   b 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msub> 
                 <mi>
                   N 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
                <msup> 
                 <mi>
                   n 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msup> 
                 <mi>
                   π 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msup> 
                 <mi>
                   a 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msub> 
                 <mi>
                   N 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
              <mi>
                ε 
              </mi> 
              <msup> 
               <mi>
                 f 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  ρ 
                </mi> 
                <mi>
                  π 
                </mi> 
                <msup> 
                 <mi>
                   a 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <msup> 
                 <mi>
                   b 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
                <mn>
                  4 
                </mn> 
                <msub> 
                 <mi>
                   ρ 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
                <mi>
                  a 
                </mi> 
                <mi>
                  b 
                </mi> 
                <msub> 
                 <mi>
                   α 
                 </mi> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mn>
                8 
              </mn> 
              <mi>
                π 
              </mi> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 ρ 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
              <mi>
                m 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 α 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msqrt> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          min 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (32)</p>
   <p>Simplify Equation (32), yields:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        ≥ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          b 
        </mi> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msup> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> (33)</p>
   <p>Equation (33) is the formula for determining the safety pretension limit of membrane roof to prevent instability. When the span ratio of roof membrane is determined, the safe pretension value can be obtained.</p>
   <p>Let 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        900 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        MPa 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1400 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        MPa 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1.226 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mtext>
          kg 
        </mtext> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mtext>
           m 
         </mtext> 
         <mtext>
           3 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.001 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        m 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The results of safety pretension limits of membrane roofs in a certain area are shown in <xref ref-type="table" rid="table1">
     Table 1
    </xref>.</p>
   <table-wrap id="table1">
    <label>
     <xref ref-type="table" rid="table1">
      Table 1
     </xref></label>
    <caption>
     <title>
      <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-"></xref>Table 1. Safety pretension limit of membrane roof.</title>
    </caption>
    <table class="MsoTableGrid custom-table" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="25.28%"><p style="text-align:center">Design Return Period/Years</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="15.01%"><p style="text-align:center">V<sub>cr</sub>/(m/s)</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">Roof length/(m)</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">Roof width/(m)</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-top-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">Safety pretension limit/(kN/m)</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="25.28%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="15.01%"><p style="text-align:center">20</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">5</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">1.223</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">1.434</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">20</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">1.245</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="25.28%"><p style="text-align:center">50</p></td> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="15.01%"><p style="text-align:center">25.3</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">5</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">1.957</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">2.295</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">20</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">1.993</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="25.28%"><p style="text-align:center">100</p></td> 
      <td rowspan="3" class="custom-top-td acenter" width="15.01%"><p style="text-align:center">26.83</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">5</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">2.200</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">2.581</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="acenter" width="21.64%"><p style="text-align:center">20</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.25%"><p style="text-align:center">10</p></td> 
      <td class="acenter" width="21.82%"><p style="text-align:center">2.241</p></td> 
     </tr> 
    </table>
   </table-wrap>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. Conclusions</title>
   <p>In this paper, the traditional multi-scale method is improved to solve the critical state of instability of membrane roof. In order to avoid the instability of the roof during the design return period, the critical wind speed of instability should not be less than the local design wind speed, so that the calculation formula of the minimum pretension of the roof film to prevent instability in different return periods of a specific wind field is obtained, and the following conclusions are obtained.</p>
   <p>1) The critical wind speed of nonlinear wind-induced instability of membrane roof is related to membrane pretension, geometric size, density and vibration amplitude.</p>
   <p>2) The safety pretension limit of membrane roof to prevent instability is related to the design wind speed and membrane geometry. This paper supplements the specific requirements on the value of pretension in the technical specification of membrane structure (CECS158: 2015) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.137626-15">
     [15]
    </xref>, and provides a theoretical basis for engineering designers to reasonably design membrane structure.</p>
  </sec>
 </body><back>
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