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汽车和物流产业是国家重点扶持的两大振兴产业。在众多汽车制造企业产能扩大的背景下,以零部件平均物流时间(Cycle Time,CT)为绩效评价指标,深入研究了基于第三方物流的零部件循环取货越库物流模式(简称3PL-MRCD)的优化设计问题。建立了符合企业实际运作的离散系统随机仿真模型,即零部件循环取货与越库内部运作的集成模型。与现有供应链仿真模型相比,由于存在较多的仿真因子,提出首先运用序贯分支法(Sequential Bifurcation,SB)筛选3PL-MRCD系统关键因子,再应用响应面法(Response Surface Methodology,RSM)找到关键因子最优运作水平的方法步骤(SB-RSM),解决了大型仿真系统的优化设计问题。基于调研的数据进行仿真实验,结果表明SB-RSM可准确找出影响CT的关键因子最优取值,该值使CT达到较为理想的水平。对大型仿真系统的优化而言,SB-RSM比传统RSM更具实验效率与效力,SB-RSM为产能扩大3PL物流决策的制定提高了可靠的解决方案,具有良好的应用价值。