Appendix
The dynamic variables in vectorized form are given below:
$$\begin{aligned} {\mathbf {q}} =\left\{ { \begin{array}{c} y_{w1} \\ z_{w1}\\ \varphi _{w1}\\ \psi _{w1}\\ y_{w2} \\ z_{w2}\\ \varphi _{w2}\\ \psi _{w2}\\ y_{w3} \\ z_{w3}\\ \varphi _{w3}\\ \psi _{w3}\\ y_{w4} \\ z_{w4}\\ \varphi _{w4}\\ \psi _{w4}\\ y_{b1} \\ z_{b1}\\ \varphi _{b1}\\ \theta _{b1}\\ \psi _{b1}\\ y_{b2} \\ z_{b2}\\ \varphi _{b2}\\ \theta _{b2}\\ \psi _{b2}\\ y_{c} \\ z_{c}\\ \varphi _{c}\\ \theta _{c}\\ \psi _{c} \end{array}} \right\} \end{aligned}.$$
The mass matrix, \({\mathbf {M}}\), of 3D model with 31 dof is given below. Please note that the same ordering as of variable vector, \({\mathbf {q}},\) is used.
$$\begin{aligned} {\mathbf {M}}\,=\left[ { \begin{array}{ccccccccccccccccccccccccccccccc} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} I_{wx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} I_{wz} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wz} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wz} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_w &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{wz} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_b &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_b &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{bx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{by} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{bz} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_b &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_b &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{bx} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{by} &{} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{bz} &{} &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_c &{} &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} m_c &{} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{cx} &{} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{cy} &{} \\ &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} &{} I_{cz} \\ \end{array} }\right] \end{aligned}.$$
The stiffness matrix, \({\mathbf {K}}\), of the 3d model with 31 dof:
$$\begin{aligned}{}[{\mathbf {K}}]\,=\left[ { \begin{array}{ccccccccccccccccccccccccccccccc} -4 K_{py}-2 K_{ry} &{} 0 &{} -\left(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\right)g &{} 2 f_{11} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -4 K_{pz}-2 K_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} &{} 0 &{} -4 K_{pz} d_p^2 \,+\,\dfrac{2\,f_{12}\,a\,\lambda }{r_0} \,+\, a\,\lambda \,\left(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\right)\,g &{} \left[2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )\,+\,\dfrac{2\,f_{22}\,\lambda ^2}{r_0}\right] &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} -2 f_{12} \,-\, 4 K_{px} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{py}-2 K_{ry} &{} 0 &{} -\Big(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\Big)g &{} 2f_{11} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{pz}-2 K_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} &{} 0 &{} -4 K_{pz} d_p^2 \,+\,\dfrac{2\,f_{12}\,a\,\lambda }{r_0} \,+\, a\,\lambda \,\Big(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\Big)\,g &{} \Big[2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )\,+\,\dfrac{2\,f_{22}\,\lambda ^2}{r_0}\Big] &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} -2 f_{12} \,-\, 4 K_{px} d_p^2 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{py}-2 K_{ry} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 K_{py}&{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 4 K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 h_{bp} K_{py} &{} 0 &{} 4 d_{p}^2 K_{pz} &{} 0 &{} 4 h_{bp} K_{py} &{} 0 &{} 4 d_{p}^2 K_{pz} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -4 l_p K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 l_p K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 l_{p} K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 4 d_p^2 K_{px} &{} -4 l_p K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 4 d_p^2 K_{px} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{py}\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 h_{bp} K_{py} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 l_{p} K_{py} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ \end{array} }\right. \end{aligned}.$$
The stiffness matrix, \({\mathbf {K}}\), cont’d:
$$\begin{aligned} \left. { \begin{array}{ccccccccccccccccccccccccccccccc} -4 K_{py}-2 K_{ry} &{} 0 &{} -\left(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\right)g &{} 2 f_{11} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -4 K_{pz}-2 K_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} &{} 0 &{} -4 K_{pz} d_p^2 \,+\,\dfrac{2\,f_{12}\,a\,\lambda }{r_0} \,+\, a\,\lambda \,\left(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\right)\,g &{} \left[2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )\,+\,\dfrac{2\,f_{22}\,\lambda ^2}{r_0}\right] &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} -2 f_{12} \,-\, 4 K_{px} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{py}-2 K_{ry} &{} 0 &{} -\Big(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\Big)g &{} 2f_{11} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{pz}-2 K_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} &{} 0 &{} -4 K_{pz} d_p^2 \,+\,\dfrac{2\,f_{12}\,a\,\lambda }{r_0} \,+\, a\,\lambda \,\Big(\dfrac{m_c}{4}+\dfrac{m_b}{2}+m_w\Big)\,g &{} \Big[2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )\,+\,\dfrac{2\,f_{22}\,\lambda ^2}{r_0}\Big] &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} -2 f_{12} \,-\, 4 K_{px} d_p^2 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 K_{py}-2 K_{ry} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} \dfrac{2\,f_{12}\,\lambda ^2}{r_0} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{33}\,a\,\lambda }{r_0} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{}
0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 K_{py}&{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 4 K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 h_{bp} K_{py} &{} 0 &{} 4 d_{p}^2 K_{pz} &{} 0 &{} 4 h_{bp} K_{py} &{} 0 &{} 4 d_{p}^2 K_{pz} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -4 l_p K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 l_p K_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 4 l_{p} K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 4 d_p^2 K_{px} &{} -4 l_p K_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 4 d_p^2 K_{px} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 K_{py}\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 h_{bp} K_{py} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 4 l_{p} K_{py} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ \end{array} }\right] \end{aligned}.$$
The damping matrix, \({\mathbf {C}}\), of the 3d model with 31 dof:
$$\begin{aligned}{}[{\mathbf {C}}]\,=\left[ { \begin{array}{ccccccccccccccccccccccccccccccc} -2 C_{py}\,-\,\dfrac{2 f_{11}}{V}\,-\,2 C_{ry} &{} 0 &{} -\dfrac{2 f_{11} r_0}{V} &{} -\dfrac{2 f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -2 C_{pz}\,-\,2 C_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a \lambda )}{V} &{} 0 &{} -2 C_{pz} d_p^2 \,-\,\dfrac{2\,f_{11}\,r_0}{V}(r_0\,+\,a \lambda ) &{} -\dfrac{2\,f_{12}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )}{V},+\,\dfrac{I_{wy}\,V}{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} -2 \dfrac{f_{22}\,+\,a^2 f_{33}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 C_{py}\,-\,\dfrac{2 f_{11}}{V}\,-\,2 C_{ry} &{} 0 &{} -\dfrac{2 f_{11} r_0}{V} &{} -\dfrac{2 f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 C_{pz}\,-\,2 C_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a \lambda )}{V} &{} 0 &{} -2 C_{pz} d_p^2 \,-\,\dfrac{2\,f_{11}\,r_0}{V}(r_0\,+\,a \lambda ) &{} -\dfrac{2\,f_{12}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )}{V},+\,\dfrac{I_{wy}\,V}{r_0} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} -2 \dfrac{f_{22}\,+\,a^2 f_{33}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 C_{py}\,-\,\dfrac{2 f_{11}}{V}\,-\,2 C_{ry} &{} 0 &{} -\dfrac{2 f_{11} r_0}{V} &{} -\dfrac{2 f_{12}}{V} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 C_{pz}\,-\,2 C_{rz} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a \lambda )}{V} &{} 0 &{} -2 C_{pz} d_p^2 \,-\,\dfrac{2\,f_{11}\,r_0}{V}(r_0\,+\,a \lambda ) &{} -\dfrac{2\,f_{12}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )}{V},+\,\dfrac{I_{wy}\,V}{r_0} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -\dfrac{2\,f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} -2 \dfrac{f_{22}\,+\,a^2 f_{33}}{V} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 2 C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -2 l_p C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 l_p C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 &{} 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 2 l_{p} C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 l_p C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py}&{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -2 l_p C_{pz} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 l_{p} C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ \end{array} }\right. \end{aligned}.$$
The damping matrix, \({\mathbf {C}}\), cont’d:
$$\begin{aligned} \left. { \begin{array}{ccccccccccccccccccccccccccccccc} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py} &{} 0 &{} 2 C_{py} h_{bp} &{} 0 &{} 2 C_{py} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} -2 C_{pz} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py} &{} 0 &{} 2 C_{py} h_{bp} &{} 0 &{} -2 C_{py} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 2 C_{pz} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py} &{} 0 &{} 2 C_{py} h_{bp} &{} 0 &{} 2 C_{py} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} -2 C_{pz} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -2 C_{py}\,-\,\dfrac{2 f_{11}}{V}\,-\,2 C_{ry} &{} 0 &{} -\dfrac{2 f_{11} r_0}{V} &{} -\dfrac{2 f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{py} &{} 0 &{} 2 C_{py} h_{bp} &{} 0 &{} -2 C_{py} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} -2 C_{pz}\,-\,2 C_{rz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 2 C_{pz} l_p &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{11}\,(r_0\,+\,a \lambda )}{V} &{} 0 &{} -2 C_{pz} d_p^2 \,-\,\dfrac{2\,f_{11}\,r_0}{V}(r_0\,+\,a \lambda ) &{} -\dfrac{2\,f_{12}\,(r_0\,+\,a\,\lambda )}{V},+\,\dfrac{I_{wy}\,V}{r_0}&{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{pz} d_p^2 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ -\dfrac{2\,f_{12}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} -2 \dfrac{f_{22}\,+\,a^2 f_{33}}{V} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{py}\,-\,2 C_{sy} &{} 0 &{} -4 C_{py} h_{bp}\,+\,2 C_{sy} h_{bs} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sy} &{} 0 &{} 2 C_{sy} h_{cs} &{} 0 &{} 2 l_s C_{sy} \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{pz}\,-\, 2 C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sz} &{} 0 &{} -2 C_{sz} l_{s} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_p^2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 &{} 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0\\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_p d_p C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 2 C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{py}\,-\,2 C_{sy} &{} 0 &{} -4 C_{py} h_{bp}\,+\,2 C_{sy} h_{bs} &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sy} &{} 0 &{} 2 C_{sy} h_{cs} &{} 0 &{} -2 l_s C_{sy} \\ 0 &{} 2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{pz}\,-\, 2 C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sz} &{} 0 &{} 2 C_{sz} l_{s} &{} 0 \\ 0 &{} 2 l_p C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_p^2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} 2 d_{p}^2 C_{pz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 h_{bs} C_{sy} \,-\,2 h_{bp} C_{py} &{} 0 &{} -4 d_p^2 C_{pz}\,-\,2 d_s^2 C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} -2 h_{bs} C_{sy} &{} 0 &{} 2 d_s^2 C_{sz} \,-\, 2 h_{bs} h_{cs} C_{sy} &{} 0 &{} 2 l_s h_{bs} C_{sy} \\ -2 l_p C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_p d_p C_{py} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sy} &{} 0 &{} 2 h_{bs} C_{sy} &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sy} &{} 0 &{} 2 h_{bs} C_{sy} &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{sy} &{} 0 &{} -4 h_{cs} C_{sy} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 C_{sz} &{} 0 &{} -4 l_s C_{sz} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 l_s C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 l_s C_{sz} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_s C_{sz} &{} 0 &{} -4 l_s^2 C_{sz} &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 h_{cs} C_{sy} &{} 0 &{} 2 d_s^2 C_{sz}\,-\,2 h_{cs} C_{sy} h_{bs} &{} 0 &{} 0 &{} 2 h_{cs} C_{sy} &{} 0 &{} 2 d_s^2 C_{sz}\,-\,2 h_{cs} C_{sy} h_{bs} &{} 0 &{} 0 &{} -4 h_{cs} C_{sy} &{} 0 &{} -4 d_s^2 C_{sz}\,-\,4 h_{cs}^2 C_{sy} &{} 0 &{} 0 \\ 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 2 C_{sy} l_s &{} 0 &{} 2 l_s h_{bs} C_{sy} &{} 0 &{} 0 &{} -2 C_{sy} l_s &{} 0 &{} 2 l_s h_{bs} C_{sy} &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} 0 &{} -4 l_s C_{sy} h_{cs} &{} 0 &{} -4 l_s^2 C_{sy} \\ \end{array}
}\right] \end{aligned}.$$