This article presents the study of the shock wave propagation through aluminum alloys (pure aluminum and aluminum 2024-T3) produced by laser plasma using experimental and numerical tests. Water confinement regime interaction, pulse duration (7.2 ns), and power density (1–5 $\mathrm{GW}/{\mathrm{cm}}^2$ ) range correspond to laser shock peening process configuration and parameters. To that scope, we simulate the shock wave propagation using non-linear explicit code LS-DYNA, which we validate with experimental results. Thereupon, we present a descriptive analysis that links separately the material model and loading conditions to the dynamic response of aluminum alloys under high strain rate laser shock by coupling the Johnson-Cook (J-C) material model with the Grüneisen equation of state (MAT_015 and EOS_GRUNEISEN accordingly). In addition, we make use of stress propagation into target thickness to analyze the origin of different points on the Back Face Velocity (BFV) profile during shock propagation. Finally, we provide evidence that 2D compressive effects do not depend only on the focal spot size or target thickness such as the edge effects but also on power density and material initial yield strength.

Through the years, laser shock peening became a treatment of choice in the aerospace industry to prolong the life of certain critical pieces. Water flow is commonly used as a confinement to improve the process capability but some applications cannot allow for water presence in the area of interest. In a previous article, an alternative to the water confinement was presented, a flexible polymer confinement was used and demonstrated the production of pressures equivalent to the water configuration treatment. However, laser parameters have been restricted to a wavelength in the visible range at 532 nm. In this paper, the study is extended to 1064 nm which is commonly used in LSP applications and with two different pulse durations. A 1064 nm near infra-red laser is used to do pressure characterization of shots with polymer confinement through Velocity Interferometer System for Any Reflector (VISAR) measurements coupled with Finite Element Modelling on Abaqus software. The results show that the pressures produced by the confinement is slightly lower with the 1064 nm wavelength, similar to what is observed with the classic water confined regime when switching from 532 nm to a near infra-red wavelength. Nevertheless, the high level of pressure produced by laser shock under the polymer confinement configuration allows for the treatment of common types of metal alloys used in the aerospace industry. Although the use of such a confinement has yet to be applicable to peening setups, it has already uses in some single shot configurations such as LasAT where it allows the avoidance of the water flow optimization.

Réponse dynamique de milieux à microstructure par des formulations à gradient d’ordre supérieur obtenues par des méthodes d’homogénéisation: Une approche dynamique discrète (DDM) est proposée dans le contexte de la mécanique des poutres pour calculer les caractéristiques de dispersion des structures périodiques. Cette démarche permet de calculer les caractéristiques de dispersion de milieux périodiques unidimensionnels et bidimensionnels. Il est montré qu’un développement d'ordre supérieur suffisamment élevé des forces et des moments d’éléments structuraux est nécessaire pour décrire avec précision les modes de propagation d’ordre supérieur. Ces résultats montrent dans l’ensemble que les calculs des caractéristiques de dispersion de systèmes structurels périodiques peuvent être abordés avec une bonne précision par la dynamique des éléments discrets. Les comportements non classiques peuvent être capturés non seulement par une expansion d'ordre supérieur mais aussi par des formulations à gradient supérieur. Nous calculons ainsi les paramètres constitutifs macroscopiques jusqu'au deuxième gradient du déplacement en utilisant deux formulations différentes, soit selon une méthode d'homogénéisation dynamique à gradient supérieur (DHGE) prenant en compte les effets de micro-inertie, ou alternativement selon le principe de Hamilton. Nous analysons ensuite la sensibilité des termes constitutifs du second gradient aux paramètres microstructuraux pour des matériaux composites à microstructure périodique de type laminés. En plus, on montre que les modèles du deuxième gradient formulés à partir de l'énergie interne totale en tenant compte des termes de gradient d'ordre supérieur donnent la meilleure description du propagation d’onde à travers ces milieux. On analyse les contributions d'ordre supérieur et de micro-inertie sur le comportement mécanique de structures composites en utilisant une méthode d'homogénéisation dynamique d'ordre supérieur qui intègre les effets de micro-inertie. Nous calculons la réponse effective statique longitudinale à gradient d’ordre supérieur, en quantifiant la différence relative par rapport à la formulation classique de type Cauchy qui repose sur le premier gradient du déplacement. Nous analysons ensuite les propriétés de propagation d’ondes longitudinales en termes de fréquence propre de composites, en tenant compte de la contribution de la micro-inertie. La longueur interne joue un rôle crucial dans les contributions de micro-inertie avec un effet substantiel pour les faibles valeurs de longueur interne, et qui correspond à une large gamme de matériaux utilisés en ingénierie des structures. La méthode d’homogénéisation développée montre un effet de taille important pour les modules élastiques homogénéisés d’ordre supérieur. Par conséquent, nous développons une formulation indépendante de la taille qui est basée sur des termes de correction liée aux moment quadratique. Dans ce contexte, on analyse l’influence des termes de correction sur le comportement statique et dynamique de composites à inclusion.