《Ocean Engineering》：VIV model updating method of the flexible riser based on particle swarm optimization
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柔性立管涡激振动（VIV）模型更新方法研究提出基于PSO算法和Morris全局敏感性分析的三维VIV模型改进方案，通过实验验证单条件模型更新显著提升RMS位移和振动频率预测精度，多条件整合模型误差降低超45%但性能稍逊。
中国石油大学（华东）机械与电子工程学院，高端海上油气设备设计与制造山东省重点实验室，青岛，266580，中国
摘要
升管的涡激振动（VIV）不可避免地受到环境和结构参数中各种不确定性的影响，导致预测响应与实际响应之间存在显著偏差。本研究提出了一种新的升管VIV模型更新方法，以提高动态响应预测的准确性。基于欧拉-伯努利梁理论建立了三维VIV分析模型，并使用Van der Pol尾流振荡器计算流体动力载荷。通过Morris全局敏感性分析确定关键参数，然后利用这些参数和粒子群优化（PSO）算法开发了模型更新程序。所提出的方法通过VIV实验进行了验证，并进一步研究了单一流动条件和多流动条件下的模型自适应更新特性。结果表明，针对每个单独条件分别更新的VIV模型在RMS位移和振动频率方面的预测准确性显著提高，相较于相应的初始模型有所改善。相比之下，同时考虑多个条件进行更新的集成模型在预测性能上相对较低，这是由于需要适应所有条件下的相互矛盾的不确定性特征。尽管如此，多条件模型仍可将预测误差降低45%以上。
引言
在海上油气勘探与生产中，柔性升管是海上平台与海底井口之间的关键连接部件（Liu等人，2021，2022；Qiu等人，2024）。当水流经过升管时，外部流场与升管之间会发生强烈的流固相互作用，从而产生涡激振动（VIV）（Liang和Lou，2020；Chang等人，2023）。这些振动不仅会在升管中引起复杂的动态行为，还会在结构内部产生显著的循环应力，导致疲劳损伤加速累积并显著缩短使用寿命（Kim等人，2021a；Sivaprasad等人，2023）。因此，建立能够准确预测柔性升管动态响应的高保真VIV分析模型对于确保其长期运行安全至关重要（Kim等人，2022）。
数值模拟是一种高效的VIV响应预测方法，因其计算简单且成本低廉而得到广泛应用（Kim等人，2021b；Liu等人，2023）。现有方法通常可分为计算流体动力学（CFD）方法和经验模型方法（Gao等人，2021a）。CFD方法具有较高的分析精度，但计算效率较低。相比之下，经验模型虽然精度稍低，但能够在较低的计算成本下可靠地捕捉尾流中的关键结构振动特征（Xu等人，2023），因此特别适用于在多种环境条件下的快速工程评估（Gao等人，2021b）。在经验模型中，Van der Pol尾流振荡器模型被广泛使用，因为它能有效表征升管与周围水流之间的流固相互作用（Wang等人，2018）。通过将Van der Pol尾流振荡器与有限元模型结合，建立升管的VIV数值模型是分析VIV响应的常用方法。
根据上述方法，已进行了大量研究来探讨柔性升管的VIV特性。Facchinetti等人（2004）研究了不同耦合项（如结构位移、速度和加速度）对Van der Pol尾流振荡器的影响，发现加速度耦合能够更好地反映流体惯性效应，是描述升管周围尾流运动的最优方法。一些学者分析了物理和几何参数（如长宽比、弯曲刚度和质量比）对升管VIV响应的影响（Xu等人，2008；Gao等人，2019；Kumar和Nallayarasu，2022a）。这些研究表明，升管的振动频率和振幅对长宽比和弯曲刚度敏感，而质量比的影响较小。一些研究人员研究了升管在均匀和非均匀流动条件下的VIV特性（Ge等人，2011；Xu等人，2017；Ulveseter等人，2018；Gao等人，2022；Qu等人，2023a）。观察到非均匀流动使升管的响应从简单的单模驻波振动转变为以行波为主的多模振动。此外，还研究了在恒定顶部张力和时变顶部张力下的升管VIV特性（Gu等人，2013；Gao等人，2022；Li等人，2023）。结果表明，当激励频率远离共振区域时，时变顶部张力下的振动幅度通常小于恒定张力下的振动幅度；相反，当激励频率接近共振区域时，时变张力下的振动响应更加明显。上述研究显著提高了柔性升管VIV响应的预测准确性。
然而，在实际工程中，通过数值模型预测的动态响应往往与实际升管响应存在偏差。这些偏差主要源于材料属性、几何尺寸和环境载荷的固有不确定性（Ni等人，2019；Jiang等人，2025）。为了解决这一问题，一些学者开发了考虑这些不确定性因素的随机动力学模型来分析升管的随机振动特性（Alibrandia和Koh，2017；Ni等人，2018，2019；Liu等人，2024）。此外，一些学者还使用加速度传感器、倾角传感器等传感器对升管进行了振动监测，以提高动态响应的预测准确性（Kim等人，2021c；Zhang等人，2022；Liu等人，2025）。尽管如此，减少由不确定性参数引起的预测偏差以实现准确的VIV响应预测仍然是海上油气勘探与开发中的一个重大挑战。在这种情况下，模型更新为上述问题提供了一个很好的解决方案。
模型更新是一种优化过程，通过调整模型参数来减少实验数据与数值模型结果之间的差异，从而提高升管动态行为的预测准确性（Zhao等人，2024）。根据更新对象的不同，模型更新可分为基于矩阵的更新方法和基于参数的更新方法（Baybordi和Esfandiari，2024）。基于矩阵的方法通过直接修改有限元模型中的参数矩阵（如刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵）来实现数值结果与实验结果的匹配（Zeng和Yuan，2024）。该方法通常通过对有限元参数矩阵进行逆运算来实现，一般不涉及迭代优化过程。相比之下，基于参数的更新方法通过调整弹性模量、密度和无量纲系数等物理参数来实现匹配功能（Guan等人，2024）。这种方法本质上将模型更新转化为一个受限的多目标优化问题。与基于矩阵的方法相比，基于参数的更新有限元模型保留了明确的物理意义，避免了直接修改矩阵可能带来的歧义，因此在实践中更为常用。由于其在减少数值和实验响应差异方面的有效性，模型更新近年来得到了广泛研究（Bai等人，2023；Lu等人，2024；Chen等人，2024；Liang等人，2025）。然而，针对升管VIV模型的模型更新研究仍然相对有限。
本研究的主要目标是建立一种基于参数的有限元模型更新方法，有效减少VIV数值模拟结果与实际动态响应之间的差异，从而提高VIV响应的预测准确性。本文的其余部分安排如下：第2节建立了VIV理论和数值模型；第3节详细介绍了柔性升管的模型更新方法；第4节讨论了所提出方法的模型更新特性；第5节提供了结论。
节选内容
升管的理论模型
图1展示了典型的柔性升管系统示意图。升管的上端通过上柔性接头连接到张紧系统，并受到恒定的顶部张力作用；下端通过下柔性接头、下海升管包（LMRP）、防喷器（BOP）和海底井口固定（Li等人，2026）。当稳定的水流经过升管时，流固相互作用会在升管两侧引起VIV。
VIV模型更新方法
图2展示了升管的模型更新过程，包括建立升管的数值模型、确定更新参数、构建目标函数以及选择模型更新方法。具体模型更新方法在后续文本中详细阐述。
VIV实验
通过在缩比升管上进行的VIV实验验证了所提出的模型更新方法。实验模型和VIV测试方案如图4所示，包括张紧器、上柔性接头、实验升管、下柔性接头和井口。升管的上端通过上柔性接头和张紧器连接到上加载平台，张紧器提供顶部张力和升沉补偿；升管的下端连接到...
结论
- 本研究提出了一种基于PSO方法的柔性升管VIV模型更新方法。首先，基于欧拉-伯努利梁理论建立了升管的三维VIV分析模型。其次，使用Morris全局敏感性分析方法确定关键动态参数。然后，将这些关键参数作为随机场进行处理，并与VIV模型结合，构建随机数值模型。
CRediT作者贡献声明
Pengji Hu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理。Xiuquan Liu：撰写——审稿与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念构思。Hongkun Gao：撰写——初稿、验证、调查、形式分析、数据整理。Ronggen Zhao：可视化、软件、资源、形式分析。Xiaoyu Hu：软件、资源
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52271300、52071337）、国家重点科技计划（2025ZD1403201-02）、国家关键研发计划（2022YFC2806500）、CNOOC综合研究项目（KJGJ-2023-0002）、泰山学者计划（编号tsqn2024084100）的支持。
