国内对油气资源需求与日俱增,钻井工作量逐年增多,从而推动了井下动力钻具的发展和应用；一些先进的高效钻井工具和新技术的开发及应用,为提高石油天然气钻井的综合技术经济指标起到了关键作用。螺杆钻具作为目前应用最广泛的井下动力钻具之一,特别是配合PDC钻头钻井时,可以获得较高的经济效益。随着钻探技术进步以及越来越多的复杂井况,提高深井、超深井,以及高温、高压、高地层应力条件下的钻井技术成为我国石油天然气钻井发展的必然趋势。然而,目前常规螺杆钻具马达,由于存在变形不均匀、耐高温性能差及使用寿命短等问题,不能很好地满足高温深井、超深井及地热井等恶劣钻井环境的需要,在此情况下,高性能等壁厚螺杆钻具在石油钻探开发中将起到关键作用。然而,采用传统方法加工大长径比内螺旋曲面金属定子难度大、效率低,且精度较差。基于以上考虑,本文提出采用在航空、航天和汽车工业等领域广泛应用的液压成形方法加工等壁厚金属定子衬套,从而设计高性能等壁厚螺杆钻具定子。金属定子衬套液压成形过程是典型的大变形弹塑性问题,涉及几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等高度非线性问题,同时又受管件材料力学性能、管件几何形状、模芯几何形状、加载路径和成形工艺参数等诸多因素影响,成形过程极其复杂。本文以金属衬套线型设计和液压成形过程为研究对象,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,完成了以下研究工作：(1)根据摆线形成原理,建立了马达线型统一参数方程,并选择线型曲率和固定接触点最大综合曲率两个参数,评价了不同参数对马达线型接触状况、密封性能的影响；然后利用过流面积、偏心距、转子离心惯性力和最大滑动速度四个指标建立线型参数优化目标函数,设计出光滑连续、密封性好的金属衬套线型。(2)介绍了金属衬套的成形原理,并应用圆筒问题的基本理论,分析了金属管件失稳压力、弹塑性变形过程；根据管件成形原理,分析了管件成形压力和最大加载压力；选择延展性较好的304不锈钢作为成形管件材料,并通过拉伸实验获得了管材的主要力学参数,分析管材应力-应变曲线可得,不锈钢管材在建立理论分析和仿真计算模型时,可以采用线性强化弹塑性模型简化其力学模型。(3)建立了等壁厚金属衬套液压成形参数敏感性有限元分析模型,针对金属衬套的特殊截面形状,提出了过渡处对角距离、相对壁厚误差和标准差三项金属衬套成形质量评价指标；通过分析管件几何尺寸、定子模芯导程、成形加载路径及接触面摩擦等因素对金属衬套成形质量的影响,获得了金属衬套液压成形管件几何尺寸、模芯导程、加载路径和摩擦系数的选择依据。对选择的两种管件进行成形卸载回弹分析,分析结果表明卸载回弹对等壁厚金属衬套成形质量影响较小。因此,由仿真结果可得,利用管件外高压成形方法可以获得满足精度要求的等壁厚金属衬套。(4)设计了等壁厚金属衬套液压成形试验装置,并基于数值模拟结果,开展了液压成形试验研究。结果表明,试验结果与数值模拟结果吻合较好,证明了利用数值仿真方法可以较为准确地模拟金属衬套成形过程,为金属衬套成形试验和应用提供前期理论基础,并且能够有效提高成形试验参数设计效率,节约试验成本。因此,基于数值模拟和试验方法,验证了利用液压成形方法可以获得成形质量高的等壁厚金属衬套,为推进金属衬套等壁厚螺杆钻具定子生产和应用提供了基础。本文通过理论推导、数值模拟和试验研究相结合的方法,为获得高精度、低成本的高性能等壁厚螺杆钻具定子提供了理论基础,将对深部高温地层的高效钻探开发和持续发展起到关键作用,高性能等壁厚螺杆钻具的研发可以更加有利地推动我国螺杆钻具产业的发展,为我国石油钻井技术的发展提供强有力的技术保障。