随着我国经济的快速发展，对铁矿石的需求迅速增长，市场对运输铁矿石专用矿砂船的需求也日益旺盛，加之船舶大型化规模效应的推动、航道条件的改善和港口建设的发展为矿砂船大型化奠定了基础,大型矿砂船市场逐步升温,订单和新造船的数量明显增多。仅在2007年，国内23万吨和30万吨矿砂船的订造总数就达16艘。与此同时，作为全球最大铁矿石生产商和出口商的巴西淡水河谷矿业集团公司，正在计划建造35艘40万吨超大型矿砂船，使其总运力超过1 000万吨，以便降低铁矿石运输成本、掌控铁矿石议价主动权和实现对整条产业链的控制。因此，为了参与国际竞争，掌握铁矿石的海上运输权，我国研究和开发大型矿砂船具有重要意义。
大型矿砂船（Very Large Ore Carrier，简称VLOC）是运输铁矿石的专用船舶。由于SOLAS和国际船级社协会(IACS)对散货船的定义角度不同,矿砂船不列在IACS制定的结构共同规范（CSR）的使用范围之内，因此矿砂船的设计无需满足结构共同规范。但其尺度大、载重量大、经济性高的自身特点决定了该船型设计的特殊性。本文将以30万吨矿砂船的开发设计为例阐述VLOC的主要船型特点。
VLOC 运载货品单一，停泊港口及码头设施对船舶主尺度有一定的限制，又由于主要航行于巴西、澳大利亚至中国、日本、远东、地中海地区和部分欧洲国家的航线上，因此，大型矿砂船为特定用途、特定航线和特定设计船型。30万吨VLOC 的主尺度选择除考虑经济性外，还要重点关注相关港口/码头的相关资料：
（1）允许靠泊的船舶最大载重量；
（2）允许靠泊的船舶总长；
（3）航道和码头所允许的船舶最大吃水；
（4）码头装货设备对船舶air draft（船舶货舱口至水线的高度）的限制；
（5）码头装/卸货设备的数量及抓斗能力；
（6）装载机的装载速率；
（7）码头装/卸货设备对船宽的限制。
该船主尺度选取参照了国外建造的30 万吨级VLOC 的相关参数。根据船东要求，考虑到可以停靠大多数装/卸货港，将目标船的总长限制在330.0m 以内。为了提高船舶营运经济性，在型深不变的基础上，尽量增加吃水，采用B-100 干舷，并通过合理的分舱满足破舱要求。最终，将结构吃水增大到22.1m，载重量达到315 000 吨。通过主尺度的对比分析，确定该船的主尺度要素。
该船在主尺度限制的前提下，为达到载重量指标，就尽量增大方形系数，这给线型设计带来一定的困难。采用低速肥大型船常规的球鼻、球尾线型设计，以达到最佳的阻力和推进性能，其平行舯体的长度接近两柱间长的1/3。由于受到总长的限制，最大限度地缩短球鼻长度，并优化其形状，使前端呈竖直状。考虑该船满载工况下合理的纵倾范围（~1% Lpp）和改善尾部伴流场，参考一般肥大型船设计吃水下的纵向浮心位置LCB，并根据空船重量及重心位置和浮态情况，选择最佳的LCB（舯前2~4%Lpp）。
该船在既定方形系数和纵向浮心位置前提下，通过改变前后体的浮力分布，借助CFD 计算工具优化线型，降低阻力并提高推进性能，在确保快速性的同时，兼顾良好的操纵性能。优化后的型线，在瑞典SSPA 水池进行了船模试验，预估实船在考核条件下的航速为15.04kn。首制船的试航结果证实了这一结论。该型船首制船交付后实际营运情况表明，与同类船相比，该型船航速较高，油耗较低，经济性良好。
该船主甲板以下由水密横舱壁划分为：首尖舱（空）、货舱区、机舱区和尾尖舱（空）。机舱区上部设8 层甲板室（含驾驶室），首部设1 层首楼。共设两对双壳结构的燃油深舱，其中一对布置在机舱，另一对设在货舱区后部边空舱内。
3.1 货舱
VLOC 在满载工况时出现最大静水中垂弯矩。该船在船长确定的前提下，力求货舱长度尽可能大，以达到分散货物重量降低中垂弯矩的目的。一般而言，30 万吨级VLOC 的货舱数为5~7 个，舱口数为6~10 个，货舱数/舱口数的不同组合有5 / 8、5 / 10、6 / 6、7 / 7 等。针对货舱划分，该船采用7 货舱/7 舱口和5 货舱/8 舱口两个方案比较选优的方法来确定最终方案。通过比较发现，5 货舱/8 舱口有如下优点：其一，从营运角度来讲，货舱数量少，有利于缩短卸货后的清舱时间。其二，装/卸货步骤、时间和装运2 票货的灵活性与7 货舱方案相似。其三，从建造成本来讲，槽形横舱壁数量少，简化了建造工艺。最终，该船通过4 道货舱槽形横舱壁，将货舱区划分为5 个货舱，中部3 个货舱长度相同，首尾货舱稍短。共设8 个舱口，中间3 个货舱各设2 个舱口，首尾货舱各设1 个舱口。每舱口各设1 个舱口盖，且尺度相同，舱口盖为单边开启，开启方式为电动液压。
3.2 压载水舱
由于铁矿石密度大，与载重量相当的VLCC 相比，VLOC 的货舱容积约为前者的50%，而可以用作压载水舱的边舱要富余许多。VLOC 船型压载水舱的合理规划，要考虑以下几个方面：
（1）在满足各种装载要求情况下，压载水舱容积尽量小；
（2）满足IACS UR S11 对压载工况的纵倾值和压载水舱不满舱的相关要求；
（3）满足码头装载机对压载到港工况船舶的air draft 要求；
（4）尽量降低压载工况和压载水置换工况的中拱弯矩。
该船通过大量的组合计算，并适当调整边舱横舱壁的位置，确定了合适的压载水舱的数量及分布。货舱区的边舱共分为10 对，其中8 对为压载水舱，总容积约182 000m，其余2 对为空舱。压载水舱的分布确保所有压载工况最多出现1 对不满舱。该船设置了3 种压载工况供船东实际应用：轻压载工况（light ballast）、正常压载工况(normal ballast) 和风暴压载工况(heavy ballast)。可根据海况及航行情况，只需注入或排空1 对或2 对舱就可实现不同压载工况之间的转换：即由轻压载工况改变到正常压载工况时，只需在轻压载工况下将No.2 后压载舱（左和右）打满即可实现；同样，由正常压载工况转换为风暴压载工况时，只需在正常压载工况下将 No.3 后压载舱（左和右）打满即可实现；反之，只要排空相应压载舱即可。三种压载到港工况均满足装货港的浮态和air draft 要求。另外，压载水舱优选过程中，通过大量试算，合理选用不同压载工况的压载水舱的数量及分布，尽量降低总纵弯矩。最终规划的压载水舱方案与最初的方案相比，使该船最大中拱弯矩的设计值约降低5%。
3.3 燃油深舱
根据续航力要求，该船携带的燃油总量约8 600m。如果全部放在机舱区，会给机舱布置带来一定困难，同时对船舶浮态和弯矩的影响也较大。为此，将2 对燃油深舱中的1 对设在机舱，另1 对深舱布置在货舱区后部的边空舱内。燃油舱设双底双壳保护。
VLOC装/卸货效率是船东关注的重点之一，甚至有些船东提出Single Pass Loading（每个货舱或舱口一次性完成装载）要求，这在7货舱/7舱口的VLOC上较容易实现，如果货舱数量为5个或6个则较难做到。为了提高装卸货效率，VLOC的装卸货程序需优化设计，尽量一次装完一个货舱或舱口，减少装载机的移动次数和时间。这主要从以下几个方面入手考虑：
（1）在满足总纵强度基础上进行局部结构加强；
（2）控制整个装载过程中的船舶浮态，避免大纵倾的产生，重点关注装载过程中的码头air draft 的限制；
（3）满足cargo mass curve（装载量曲线）对货舱装货量与吃水的限制条件；
（4）确保压载水的排空速率与装载速率相匹配，避免出现装货须等待压载水排空的情况，造成延迟装载。
通过多种组合计算与分析，对该船装/卸货程序进行了优化，并总结出5货舱/8舱口大型矿砂船装卸货的规律。在总纵强度不变的条件下，适当加强结构局部强度，可大大简化装卸货步骤，提高装货效率。通过对比选优，使该船装/卸货时压载水自首向尾依次排空，没有前后压载水舱穿插排放或单舱多次排放的情况，并且将整个过程的纵倾控制在1% Lpp之内，这不仅方便了实际操作，而且有效降低了装料臂的移动次数，提高了营运效率。
空船重量是船舶设计者、船厂和船东共同关注的指标，是船舶设计水平的重要体现，直接涉及船厂和船东的经济效益。本船在设计之初，就从货舱及舱口数量的选取、压载水舱合理分布、总纵强度控制和高强度钢应用比例等方面入手进行综合考虑，尽量降低空船重量。为了控制结构重量，本船对包括所有结构在内的分区域舱段进行有限元分析，通过结构拓扑优化、形状优化和尺度优化等对结构构件进行优化设计。该型船的首制船倾斜试验结果表明，与国内同等吨位的矿砂船相比，该船结构重量约轻15%；日本建造的30 万吨级VLOC 每吨结构重量所对应的载重量约为9.7 吨，与其相比，本船的相应指标略高于该值。该船的空船重量指标达到了国际领先水平
通过30 万吨矿砂船的开发，并参考相关资料，将大型矿砂船的主要船型特点总结如下：
（1）艏楼长度和高度的设置值得关注。艏楼长度只要满足载重线公约对艏楼有效长度的要求即可，如果进一步加大，可能会影响艏部货舱舱口盖的布置。而高度的设置要充分考虑对视线的影响，由此可能导致生活楼层高度加大或层数增多。
（2）压载水舱优化布置是需要重点解决的难题。大型矿砂船的边舱宽、容积大，合理确定边压载水舱的数量和分布，不仅要考虑船舶浮态、破舱要求、压载到港工况下码头装货设备对船舶air draf 的限制，还需要关注压载水置换或压载水处理的能量消耗以及总纵强度。尤其需要重点关注压载工况出现的某1 对或2 对压载水舱不满的情况，需要增加全空和全满状态的结构强度校核计算，而非常繁琐。因此，VLOC 压载水舱的确定要经过大量计算比较才能优选出合理方案。
（3）要求装/卸货程序简便、易操作。提高VLOC 装/卸货效率是大型矿砂船设计需要突破的难题之一，尤其是达到Single Pass Loading 要求。除了对货舱数量和舱口数量进行论证优选外，还要考虑舱口面积和舱底面积以及纵舱壁倾斜角度等方面的设计，尽量减小卸货死角。通过采取局部结构加强、控制船舶浮态、实现压载水排空速率与装载速率的匹配、减少装载机移动次数和时间等措施，优化装/卸货程序，提高船舶营运经济性。
铁矿石进口是我国钢铁行业发展的命脉，掌控铁矿石的海上运输权关系到行业安全和未来发展。大型矿砂船作为铁矿石运输的重要装备，其设计、研究具有深远的意义。论文阐述了30万吨矿砂船的主尺度要素、船级符号、线型设计、总布置和装/卸货程序优化等方面的内容，并总结了大型矿砂船的船型特点。
