Thèse Conception d'Un Outil Numérique d'Aide à la Recherche de Nouvelles Configurations des Outils de Travail du Sol H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Technologie de Compiègne École doctorale : Sciences pour l'ingénieur Laboratoire de recherche : Géosciences, Numérique, Energies Direction de la thèse : Jerome FORTIN Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 'Le principal défi des outils de travail du sol consiste à accroître l'efficacité technique et économique de cultures tout en préservant les services rendus par les agroécosystèmes, tels que la productivité des cultures, l'approvisionnement en eau et en nutriments pour les plantes et les animaux, la conservation des habitats favorables à la biodiversité et le maintien d'un climat propice. Dans la démarche agroécologique, le travail du sol doit maximiser ces services en renforçant la biodiversité, les régulations biologiques ainsi que la fermeture des cycles biogéochimiques. Les fonctions du sol sont associées à plusieurs propriétés du sol, la structure du sol constituant la propriété centrale responsable du maintien de ces fonctions.
Le travail du sol peut être à l'origine d'une dégradation physique du sol (c'est-à-dire une altération se traduisant généralement par une perte de qualités physico-chimiques ayant un effet défavorable sur les fonctions du sol. Deux types de dégradation physique induite par les outils peuvent être distingués : la compaction (diminution de la porosité) et la sur-fragmentation (réduction de la taille des agrégats, avec augmentation de la porosité. La compaction induite par le travail du sol s'observe i) sous l'horizon travaillé, sous forme de semelle de labour, et ii) au sein de l'horizon travaillé, sous forme de coeurs compactés provoqués par l'outil. Compaction et sur-fragmentation affectent négativement la pénétration racinaire, la circulation de l'eau et de l'air, la rétention en eau et en nutriments, et donc l'absorption des éléments par les cultures et les rendements. Le sur-émiettement peut favoriser l'érosion et/ou la battance et la formation de croûtes de surface. La compaction fait accroître l'effort de traction des outils (c'est-à-dire la force nécessaire pour les tirer ou les pousser dans le sol). Sineokov & Panov (1977) ont montré que, dans un sol compacté, l'effort de traction peut être multiplié par rapport à un sol en étant naturel.
L'effet du travail du sol sur la dégradation de la structure dépend de la géométrie de l'outil et du régime de fonctionnement (p. ex. vitesse d'avancement et effort de traction), ainsi que des conditions de milieu (p. ex. humidité du sol). L'amélioration de l'efficience du travail du sol a surtout porté sur la minimisation de l'effort de traction, et donc sur la réduction de la consommation d'énergie. Cependant, les dimensions agroécologiques du travail du sol ont, jusqu'à présent, été peu prises en compte. La conception des nouveaux outils doit alors considérer des liens entre structure du sol, géométrie de l'outil et régimes de fonctionnement afin d'accroître les performances du travail du sol et d'ouvrir des perspectives pour la conception des outils. Du point de vue mécanique le gain énergétique et l'effet agroécologique est atteignable grâce à : la réduction de la surface de frottement, l'émiettement avec le moindre effet de compression, la réduction des semelles, l'utilisation de la propagation des fissures naturelles du sol et la favorisation de l'émiettement dans le domaine fragile, par traction et flexion.
Ce projet propose une méthode d'amélioration de la conception géométrique en intégrant à la fois les régimes de fonctionnement et les propriétés mécaniques du sol, dans le but d'accroître les performances agroécologiques des outils de travail du sol.
La conception classique des outils de travail du sol s'est longtemps appuyée sur l'intuition du concepteur (l'ingénieur ou le forgeron plus anciennement), qui concevait un nouvel organe en s'inspirant des formes existantes, de la tradition et de l'optimisation progressive par essais expérimentaux, testés en Bac à sol ou au champ, puis ajustés par essais-erreurs (Ani et al., 2018). Les formes des organes de travail du sol ont évolué au fil du temps par ajustements successifs, dans le but d'obtenir un renversement complet et homogène de la bande de terre tout en limitant la force de traction exigée. Ces processus reposaient sur un savoir-faire tacite, cumulé au sein des fabricants, et sur des observations fines des conditions de travail. En plus, les concepteurs expérimentés deviennent souvent des prisonniers de leur propre expertise, qui leur empêche d'aller loin au-delà de l'existant et de proposer les concepts disruptifs (Dubois & Brault, 2021; Dubois & Sauvée, 2016).

Progressivement, cette expérience empirique s'est cristallisée en un ensemble de règles de l'art, enseignées et codifiées dans des documents techniques. Les concepteurs s'appuyaient ainsi sur des valeurs de référence, comme des angles d'attaque considérés comme optimaux pour les socs, ou des rapports profondeur/largeur de travail adaptés à différents types de sols. Les standards internationaux (ASABE, 2011) ont contribué à formaliser ces règles, offrant un cadre commun pour dimensionner et évaluer les outils. Cependant, la vérification de ces règles se faisait encore largement par le biais d'essais expérimentaux, soit en Bac à sol, soit directement au champ.

Cette optimisation empirique permettait d'obtenir des outils adaptés aux conditions locales, mais elle demeurait partielle et difficilement généralisable à d'autres contextes pédoclimatiques. Ces méthodes classiques ont eu pour force leur simplicité et leur robustesse, car elles produisaient des outils fiables et bien adaptés aux pratiques agricoles de leur époque. Elles ont cependant montré leurs limites dès lors que l'on a cherché à intégrer davantage de critères de performance, comme la réduction de la consommation énergétique, la préservation de la structure du sol ou l'adaptation à une diversité croissante de systèmes de culture. Dépendant largement du savoir tacite et des retours d'expérience, elles manquaient de formalisme scientifique et ne permettaient pas d'explorer simultanément l'ensemble des paramètres qui conditionnent les performances à chaque intervalle de largeur et de profondeur d'intervention (Sineokov & Panov, 1977). Ces méthodes restent dominantes, même s'ils s'appuient sur les outils d'assistance à la R&D comme une simulation numérique. La problématique de cette thèse réside dans le fait que les outils de travail du sol, historiquement conçus de manière empirique puis optimisés progressivement par essais-erreurs, ne permettent plus de répondre aux défis actuels de l'agriculture. En effet, la pression croissante pour réduire la consommation énergétique et les coûts d'usage s'ajoute à la nécessité de préserver la structure du sol et ses fonctions écologiques essentielles. Or, la géométrie des organes travaillants et leurs régimes de fonctionnement influencent directement à la fois l'efficience énergétique et les effets sur la structure du sol (fragmentation, compaction, mélange). Les méthodes actuelles de conception restent limitées : elles privilégient l'évaluation mécanique (effort de traction, contraintes) mais prennent peu en compte les dimensions agronomiques et écologiques, et peinent à explorer de manière systématique l'espace des configurations possibles.
La question centrale est donc de savoir comment concevoir de nouveaux organes travaillants capables d'assurer les fonctions agricoles attendues tout en minimisant les effets négatifs sur la structure du sol et la consommation énergétique. Pour y répondre, il est nécessaire de développer un outil numérique qui permette de formaliser le lien entre géométrie primitive, régime de fonctionnement et effets sur le sol, de manière à générer et optimiser automatiquement des surfaces complexes adaptées à différents contextes pédoclimatiques. Cet outil doit combiner modélisation mathématique, simulation numérique (DEM, FEM, couplages) et optimisation multi-critères afin de proposer des formes innovantes, évaluées simultanément selon des indicateurs énergétiques et agroécologiques, et transposables dans un cadre industriel de conception et de fabrication

Pour atteindre les objectives d'amélioration de la structure du sol, réduire les effets néfastes d'action mécanique des organes des machines de travaillantes et améliorer l'efficacité énergétiques en proposant les configurations des organes, cette thèse vise développer un outil numérique qui permettra la préconisation automatisée de formes optimales des organes. Contrairement à l'approche actuelle, qui vise d'abord la conception d'une nouvelle forme en se fondant sur l'intuition et l'expérience d'un concepteur, puis son évaluation et validation numérique et/ou expérimentale, l'approche de cette thèse consistera à mettre en questionnement l'étape de la conception, en proposant un modèle numérique par éléments discrets. Cette recherche vise à développer un modèle numérique capable de générer des formes d'organes en fonction de contraintes agronomiques et énergétiques optimales. Pour atteindre cet objectif il serait nécessaire de comprendre le lien entre les paramètres cinématiques et géométrique des organes travaillants et leurs effets sur l'état physico-mécanique du sol et le déplacement des horizons.

Master 2 (diplôme d'ingénieur) mécanique numérique / Mécanique appliquée / Mécanique des milieux granulaires, Modélisation numérique / Génie mécanique avec expertise reconnue (relevés de notes, stages...) à forte appétence pour les machines agricoles ou/et la science du sol et le numérique.

Compétences demandées : rigueur, curiosité scientifique, bonne organisation de son temps, modélisation, connaissance ou intérêt pour les nouvelles méthodes en ingénierie (simulation, capteurs...), bon niveau d'anglais écrit et parlé, maîtrise des statistiques appliquées, maîtrise des outils de CAO (Creo, SolidWorks, CATIA, Fusion 360...) ou/et des logiciels de simulation (Ansys, Abaqus, EDEM, Comsol). Une aisance avec la programmation scientifique et les algorithmes d'optimisation, modélisation et de Machine Learning. (Python, Matlab). Des capacités d'analyse expérimentale et un intérêt marqué pour la recherche appliquée en environnement agricole.