Offre de thèse de doctorat - appel à candidature pour dépôt d’une thèse CIFRE ANRT

CONCEPTION D’UN OUTIL NUMÉRIQUE D’AIDE À LA RECHERCHE DE NOUVELLES CONFIGURATIONS DES OUTILS DE TRAVAIL DU SOL

Introduction

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 [1]. 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 [2].

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 [1]. 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 [3]. 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 (p. ex. [5,6]. 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 [3].

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.

Démarche scientifique

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.

Les objectifs du présent projet seront de :

• Synthétiser l’état des connaissances sur les relations entre les propriétés physico-mécaniques du sol et les paramètres des outils de travail du sol, et cartographier les formes des pièces travaillantes en fonction de leurs effets sur différents types de sols ;

• Mettre en place un outil de simulation de l’interaction sol–outil, préalablement validé expérimentalement pour divers types de sols ;

• Constituer une base de données des formes primitives associées à leurs effets sur le sol ;

• Concevoir un algorithme paramétrable permettant d’identifier la combinaison optimale des formes primitives pour chaque intervalle de profondeur et de largeur selon l’usage visé. Chaque configuration générée, sous forme de modèle CAO, sera ensuite soumise à une validation expérimentale ;

• Proposer une démarche d’optimisation industrielle, garantissant la fabricabilité, la solidité, l’optimisation topologique [7] et la résistance à l’usure [8,9] des pièces, tout en maintenant un coût de production raisonnable.

Partenaires du projet

Kuhn SAS

Le groupe Kuhn, riche de plus de 190 années d’expérience dans la construction de machines agricoles, propose des produits et services garantissant la performance.

En tant que leader du machinisme agricole, nous offrons les meilleures solutions aux agriculteurs, chaque jour et partout à travers le monde, face à des besoins clients en constante évolution.

Nous participons à la noble mission de nourrir le Monde :

• En concevant, fabriquant et commercialisant une gamme complète de produits et services innovants et de qualité destinées à répondre aux besoins diversifiés de l'Agriculture Mondiale.

• En fournissant à nos clients des solutions leur permettant d'optimiser leur retour sur investissement.

• En s'engageant éthiquement, au travers d'un comportement respectueux envers l’environnement, les clients, les collègues de travail, les partenaires commerciaux, les concurrents et les autorités.

Avec un effectif mondial de plus de 5700 personnes, un chiffre d’affaires supérieur à 1,2 Milliard d’€, nous investissons localement dans chacune de nos implantations environ 25 millions d’euros par an.

Notre budget Recherche et Développement de 4% du chiffre d’affaires est significatif de la stratégie de développement du groupe Kuhn.

Située à Châteaubriant (Loire-Atlantique), le site KUHN-HUARD SAS est spécialisée dans la conception et la fabrication des charrues, les équipements de déchaumage/ameublissement et les semoirs monograines. Elle s’intègre au sein du groupe KUHN Group et déploie une démarche « industrie 4.0 », avec des investissements continus dans les outils de production, l’innovation et les collaborateurs. Le site compte plus de 400 salariés qui travaille à l’innovation, la conception et aux essais des produits de demain.

Cette offre de thèse s’inscrit dans notre stratégie globale de développement et vise à fournir des éléments scientifiques supportant ces futurs produits.

UniLaSalle

Fondé en 1854, fort de 4000 étudiants, de 632 personnels et de 27000 alumni, l’institut polytechnique UniLaSalle est un établissement d'enseignement supérieur privé d'intérêt général (EESPIG) situé sur quatre campus Beauvais, Amiens, Rouen et Rennes. Au travers de sa recherche, au sein de cinq unités et dans le cadre de sa stratégie et ses cinq principaux engagements pour la transformation écologique et sociétale au service des entreprises, des filières et des territoires, UniLaSalle bénéficie d’un environnement physique et humain favorable à l’émancipation et au développement de la recherche : école dans le TOP 10 happy School ; 200 ha d’espaces paysagers et cultivés ; plateformes de recherche ; FabLab en agriculture ; exploitations agricoles pilotes ; réseau de partenaires publics et d’entreprises (+ de dix chaires de formation et de recherche).

La présente thèse sera réalisée au sein de l’unité de recherche GeNuMer (Géosciences, Numérique et Énergie), qui est une unité propre de l’Institut UniLaSalle. Les travaux de l’unité sont centrés sur le développement et l’application des outils numériques et de simulation pour l’analyse, la modélisation et l’optimisation des systèmes complexes dans les domaines des géosciences, de l’énergie et des technologies numériques. L’unité GeNuMer est soutenue par le développement de la chaire industrielle Formation et Recherche « Agromachinisme et Nouvelles Technologies », dont KUHN est partenaire, favorisant les synergies entre recherche appliquée, innovation technologique et formation d’ingénieurs. Enfin, l’unité est membre d’École Doctorale « Sciences pour l’Ingénieur » de l’Université de Technologie de Compiègne (UTC), dans laquelle la présente thèse sera inscrite.

L’APEX (Apprendre & Explorer) est une plateforme d’innovation numérique de l’Institut UniLaSalle, issue de l’évolution du GéoLab historique. Cet espace est dédié à la recherche, à la formation et à la conception collaborative autour des technologies immersives et de la simulation numérique. Labellisé « 3DEXPERIENCE Edu Center of Excellence » par Dassault Systèmes, APEX fait partie du réseau international des Learning Labs – Learning Hub Dassault Systèmes, garantissant un haut niveau d’intégration technologique. Les principales compétences de l’équipe d’enseignants-chercheurs sont la modélisation et la simulation numérique, la conception et le prototypage 3D, la fabrication additive, le scan 3D, la photogrammétrie, la réalité virtuelle et augmentée, ainsi que la données géospatiales et la géomatique appliquée. Cette plateforme constitue un lieu stratégique pour l’innovation, la recherche appliquée et la formation d’ingénieurs dans un contexte de transformation numérique des territoires et des filières industrielles.

Profil recherché :

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.

Le dossier de candidature constitué d’un CV et d’une lettre de motivation, est à transmettre avant le 3 mars 2026.