功率DMOS器件是目前应用最为广泛的新型功率器件。但常规DMOS器件的导通电阻会随耐压的增长呈2.5次方关系迅速增加，导致功耗激增。超结DMOS打破了这一限制关系，改善了导通电阻和耐压之间的制约关系，可同时实现低通态功耗和高阻断电压，因此迅速在各种高能效场合取得应用，市场前景非常广泛。解决系统应用中的可靠性问题，是超结DMOS大规模应用的前提。耐压原理上的区别决定了超结DMOS的动态特性和可靠性与传统DMOS存在差异，亟需合理的理论模型和科学的方法来研究和模拟超结器件的特殊失效机制，在器件设计阶段就对其可靠性作出评估，指导器件的优化。 本项目从超结器件的特殊耐压原理出发，以最极端电热应力条件下发生的失效作为研究切入点，分析失效机理。取得的成果包括：（1）建立了动态电荷失衡模型，揭示以超结器件为代表的电荷平衡类器件UIS失效的物理机制；（2）建立了电热耦合的器件-电路混合仿真法，有效模拟超结器件UIS失效过程，预测器件的抗UIS失效能力，与实测结果吻合度较好；（3）提出了基于漂移区电场及雪崩电流路径优化的抗UIS失效加固超结DMOS新结构，并通过实验制备了耐压900V的超结DMOS器件样品。测试结果表明，新结构在不影响器件动静态电学参数的前提下，获得了高雪崩耐量（Eas>200mJ），具有高可靠性。 本项目为功率半导体器件领域的应用基础研究，符合我国当前“节能减排”的新能源发展战略。研究具有重要的科学价值，从器件物理的层面入手研究可靠性问题，将丰富现有的超结理论，由于理论研究将抓住电荷平衡类器件的共同物理本质，因此研究思路和方法可进一步推广至超结器件以外的其它电荷平衡类器件和结构，具有一定的普适性。本研究也具有很好的应用价值，提出的失效预测方法和加固技术，对于提高器件性能、缩短设计周期具有重要意义。 2100433B

电热应力下的可靠性对超结器件的应用至关重要。本项目针对非箝位感性负载开关过程（UIS）这一最极端电热应力条件，对超结器件的失效机理及加固技术开展三项创新性研究：①建立动态电荷失衡模型，通过求解耐压层含时泊松方程，分析不同初始电荷匹配状态下，雪崩过程中瞬时附加载流子对耐压层电场分布、动态雪崩击穿电压等电学特性的影响，揭示UIS失效机制。②建立电热耦合的器件-电路混合仿真法，模拟超结器件UIS失效过程，克服前人工作忽略了超结器件与常规器件热分布差异的问题，在研究器件内部的热产生及热传递的基础上，设置温度相关模型，并通过实验数据校准提高模拟准确性。③提出抗UIS失效加固的超结器件新结构，通过耐压层电场的设计优化雪崩电流路径;进行新结构关键制备技术研究。对超结器件UIS失效的物理层面的剖析及模型的建立，具有重要的科学价值；电热耦合模拟法和加固新技术，对于提高超结器件的可靠性具有重要的应用价值。

本项目以淮南矿区煤矿深部巷道围岩注浆加固工程为背景，通过理论分析、室内试验和现场监测，对煤矿深井泥岩巷道注浆扩散模型以及注浆固结体的力学特性进行了分析研究，在此基础上对摩尔-库伦本构模型进行修正，开发了适合进行注浆加固评价的数值仿真分析方法。 (1)煤矿深部高应力环境下浆液扩散受应力水平和结构面的分布影响较大，在单一裂隙扩散模型基础上，结合结构面渗流-应力耦合特性建立的渗流-应力耦合注浆扩散模型能够较好的反映煤矿深部高应力环境下的注浆扩散规律，是注浆加固扩散模型的一种新的尝试。 (2)注浆固结体主要包括两种胶结模式：包裹模式和搭接模式。注浆固结体的力学特性与其胶结模式之间存在密切联系。孔隙率对注浆固结体的强度和变形特性有重要影响。随着孔隙率的增加，注浆固结体的弹性模量逐渐增大，单轴抗压强度也呈增大趋势；相同围压下，随着孔隙率的增加，注浆固结体峰值应力逐渐增加。注浆固结体的粘聚力随着孔隙率的增大呈增长趋势，符合对数函数关系；而内摩擦角随孔隙率增大而减小。 (3)以摩尔-库伦模型为基础，通过模量修正和强度修正，建立了适合注浆固结体的修正的摩尔-库伦本构模型，并通过FLAC3D自定义本构模型功能，建立了煤矿深部巷道注浆加固数值仿真分析方法。该方法能很好反映煤矿深部巷道注浆加固过程中的应力和位移变化特征，可为煤矿深部巷道注浆加固设计和施工提供分析评价方法。 2100433B

集成光电子器件的可靠性成为制约21世纪光纤通信技术发展的瓶颈问题，本项目选择集成光电子器件中的基础性部件阵列波导器件作为研究对象，对阵列波导器件耦合固接界面的光学性能和机械性能进行了理论研究和实验分析。研究了模场失配、模场耦合对准误差、模场分布对模场耦合耗损效率的影响规律，并提出了其理论计算公式；基于力学理论、有限元仿真技术研究了阵列波导器件受力形变、固接界面胶层分布等因素影响固接界面机械性能的规律；基于可靠性实验研究了热、热湿、热循环对器件结构性能和光学性能的影响，并基于Arrhenius理论模型预测器件的可靠性寿命进行了分析。研究发现模场失配、模场耦合对准误差、模场分布对不同波长通信光的模场耦合耗损效率的影响规律不并完全相同；阵列波导器件采用中间固定的封装方式能提高整个器件的机械性能；固接界面胶层少量溢出能改善固接界面的机械性能和热稳定性，但过量胶层溢出对改善热稳定性没有显著效果；相对于高温实验和机械性能实验等，温度循环更显著地影响器件结构性能和光学性能；此外，弯曲作用和温度循环改变光路应力分布的值不大， 对阵列波导器件光路光学性能影响比较小。

近海岸桥梁面临海岸带环境中复杂的动力作用，这些动力作用一般包括风、波浪、潮汐和洋流等。风暴潮与波浪的联合作用往往使得跨海桥梁周围水位升高，波浪越顶，潮流紊乱，产生冲刷等，这些自然条件给桥梁的安全性带来巨大的隐患。我国跨海桥梁的兴建方兴未艾，近海岸桥梁的设计与建造必须考虑到海岸带可能发生的最恶劣情况，否则将会造成严重的灾难性事故。因此开展近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下毁坏形式和机理的研究已成为急需解决的关键课题。 该项目采用数值仿真和水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合。分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及梁体周围流场动力特性。在此基础上，通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。通过该项目的研究取得如下成果： （1）建立基于大涡模拟和VOF方法的三维波浪与结构物相互作用的数学模型。在结构物边界处理研究中,结合虚拟边界力方法,提出二步边界定位法,实现流体与复杂结构物边界的精确模拟，并进一步针对三维波浪与复杂构形桥梁结构的相互作用进行计算程序的开发和应用研究,分析在三维波浪作用下,桥梁梁体所受的波浪力特点和梁体周围流场分布特性，为近海岸桥梁的抗波浪力和稳定性设计提供重要的理论依据和技术支撑。 （2）进行一系列的水槽模型试验。模型试验将桥梁高程、淹没深度、波高、规则波和不规则波作为变量进行试验对比，确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势，研究极端波浪荷载作用下近岸桥梁结构失效模式和毁坏机理。 （3）通过三维波浪与桥梁相互作用仿真研究获得瞬时的梁体所受波浪荷载，结合水槽模型试验，深入开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究，为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。这对进一步提高近海岸桥梁设计精细化研究，增强结构安全性和可靠性具有重要意义。 2100433B