Casting nonlocal problems in variational form and discretizing them with the finite element (FE) method facilitates the use of nonlocal vector calculus to prove well-posedeness, convergence, and stability of such schemes. Employing an FE method also facilitates meshing of complicated domain geometries and coupling with FE methods for local problems. However, nonlocal weak problems involve the computation of a double-integral, which is computationally expensive and presents several challenges. In particular, the inner integral of the variational form associated with the stiffness matrix is defined over the intersections of FE mesh elements with a ball of radius $\delta$, where $\delta$ is the range of nonlocal interaction. Identifying and parameterizing these intersections is a nontrivial computational geometry problem. In this work, we propose a quadrature technique where the inner integration is performed using quadrature points distributed over the full ball, without regard for how it intersects elements, and weights are computed based on the generalized moving least squares method. Thus, as opposed to all previously employed methods, our technique does not require element-by-element integration and fully circumvents the computation of element-ball intersections. This paper considers one- and two-dimensional implementations of piecewise linear continuous FE approximations, focusing on the case where the element size h and the nonlocal radius $\delta$ are proportional, as is typical of practical computations. When boundary conditions are treated carefully and the outer integral of the variational form is computed accurately, the proposed method is asymptotically compatible in the limit of $h \sim \delta \to 0$, featuring at least first-order convergence in L^2 for all dimensions, using both uniform and nonuniform grids.


翻译:以变异形式造成非本地问题, 并使用限值元素( FE) 方法将其分解为非本地矢量计算器, 有利于使用非本地矢量计算器, 以证明这种计划的准确性、 趋同性和稳定性。 使用 FE 方法也有利于模拟复杂的域间地和与 FE 方法的本地问题。 然而, 非本地的薄弱问题涉及计算双整形, 计算成本昂贵, 并带来若干挑战。 特别是, 与硬度矩阵相关的变量表的内在组成部分在FE网点的交叉点上被定义, 中间值为$\delta$, 其中美元为非本地互动范围 $\delta$。 确定和参数化这些交叉点是一个非边际的计算器问题。 在这项工作中, 我们提出一个对内集使用全球上分布的四重点, 不考虑它是如何相互交错的元素, 重量根据通用最小平方法方法计算。 因此, 相对于所有先前使用的直径直径值条件, 的直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径值,, 的直径值元素的直径直径直径直径对立值元素的计算法,, 的直径直径直径直的计算法 。

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